Вертолет с рулевым винтом в фюзеляже

Полезная модель относится к области авиации и может быть использована в качестве транспортного средства в народном хозяйстве. Соблюдение всех норм авиаперевозки позволит использование предложенной модели как транспортного авиаперевозчика в более узком диапазоне, не расширяя ее возможности эксплуатации в целях безопасности.
Известны вертолеты традиционной, наиболее распространенной в мире, одновинтовой классической схемы - это российские модели МИ-2, МИ-8, иностранного производства, например, США модель фирмы Bell типа UH-1 Iroquois, модель 407, модели фирмы Сикорского S-70C, S-76 Spirit, производства Великобритании - Westland Lynx, Италии - Agusta А. 109 и другие.
Традиционный рулевой винт, расположенный на балке, обладает целым рядом недостатков. Недостатками машин классической схемы являются во-1х, затраты мощности для компенсации реактивного момента, которые составляют около 10% мощности, потребной для вращения несущего винта на режиме висения. При разворотах на висении, особенно на высотах статического потолка и режимах вертикального подъема эти затраты могут достигать 20% и более. Для разгрузки рулевого винта в горизонтальном полете и повышения транспортной эффективности, а также для повышения путевой устойчивости применяют киль, имеющий несимметричный профиль. Но обдувка киля и хвостовой балки потоком от рулевого винта увеличивает потребную тягу. Вредная поперечная сила, создаваемая килем, может достигать 10-15% тяги рулевого винта. В результате влияния оперения растут затраты мощности, необходимые для обеспечения путевой балансировки вертолета. Плюс прочностные ограничения, накладываемые на рулевой винт и его трансмиссию, приводят к ограничениям по скорости разворота на висении и бокового полета. На высоких скоростях рулевой винт создает значительное вредное сопротивление. В горизонтальном полете рулевой винт работает в сложных условиях, когда помимо внешнего воздушного потока на него воздействует спутная струя и вихри несущего винта и фюзеляжа, что приводит к появлению знакопеременных нагрузок. Кроме того, традиционный рулевой винт является источником звуковых колебаний повышенной частоты. Наконец, размещение рулевого винта оказалось небезопасным при полетах вблизи препятствий и во время вращения винтов на земле. По разным источникам, каждая седьмая авария (катастрофа) происходит из-за повреждений рулевого винта, при столкновении с препятствиями (провода, ЛЭП, деревья, кустарники, здания и т.п.) или попадании посторонних предметов (см. Вертолетные заметки Евгения Матвеева. Livejournal, October 3rd, 2013).
Известны вертолеты одновинтовой схемы с рулевым винтом производства Франции такие модели как Eurocopter ТС 135/ ЕС 120, российский вертолет КА-62, американский RAH-66, японский ОН-Х, у которых рулевой винт расположен в кольце на хвостовой балке.
Расположенный в кольце рулевой винт обеспечивает безопасность на висении у земли для работ обслуживающего персонала, особенно в условиях плохой видимости (ночью, в туман, дождь, снег); отсутствие вибраций во всем диапазоне высот и скоростей полета. По результатам многочисленных научных исследований расположенный в кольце рулевой винт эффективен при оптимальном выборе параметров кольца (глубина, расположение плоскости винта в туннеле кольца, геометрия тоннеля до и после плоскости винта), его кпд значительно выше, чем кпд традиционного рулевого винта, а габариты меньше. В горизонтальном полете без угла скольжения винт в кольце работает практически в условиях работы на месте и значительная доля боковой силы создается профилированной входной частью туннеля кольца. В горизонтальном полете винт в кольце значительно разгружается и потребляет меньшую мощность, чем традиционный рулевой винт (выигрыш - около 2% полной мощности). Основное преимущество «винта в кольце» - уменьшение турбулентности и срыва вихрей, которые происходят на лопастях винта. Сам агрегат винт в кольце становится более аэродинамически эффективным путем уменьшения сопротивления и шума, а также значительного снижения вибраций. Модель «вертолета-стелс» RAH-66 Comanche оборудована «винтом в кольце», чтобы максимально затруднить обнаружение, поскольку основной шум, создаваемый вертолетом, как правило, приходит от рулевого винта.
Известен одновинтовой вертолет HI55, принятый за прототип, который конструктивно имеет хвостовую балку с рулевым винтом в кольце.
Недостатком устройства в известных схемах вертолета с рулевым винтом в кольце является наличие хвостовой балки, вынесенной за пределы габаритов несущего винта вертолета, увеличение толщины и массы киля, высокочастотный шум, нелинейность характеристик путевого управления, сложность конструкции и обслуживания.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств компенсации момента несущего винта и путевого управления - (коррекция внешней формы фюзеляжа вертолета и сокращение длины трансмиссии механической передачи мощности рулевому винту в туннеле в фюзеляже, отсутствие конструктивно выраженной хвостовой балки, повышение незаметности машины как «вертолета-стелс» при конструктивной компоновке рулевого винта в туннеле фюзеляжа).
Технический результат достигается тем, что предложенный вертолет с рулевым винтом в фюзеляже характеризуется тем, что по модели содержит фюзеляж со всеми агрегатами, силовую установку из двух газотурбинных двигателей, в туннеле фюзеляжа расположен рулевой винт, составное реактивное сопло из циклического клапана, эжекторной насадки и сопла, компрессор одного из двигателей связан трактом горячего сжатого газа с входом циклического клапана внутри сопла, на выходе которого в полости между импульсными порциями горячего сжатого газа добавляется через вход эжекторной насадки масса атмосферного воздуха для передачи на вход турбины, соосной с рулевым винтом.
На фиг. 1 представлена модель вертолета (вид спереди и вид сверху), у которого рулевой винт расположен в туннеле фюзеляжа и конструктивно хвостовая балка отсутствует.
На фиг. 2 приведено расположение агрегатов в фюзеляже вертолета (вид сзади в разрезе по а-а). Пунктиром показан циклический клапан в положении «закрыто».
Вертолет 1 с рулевым винтом в фюзеляже (фиг. 1) содержит единый корпус фюзеляжа со всеми агрегатами, силовую установку из двух газотурбинных двигателей 2, в фюзеляже 3 расположен с укороченным валом 21 (фиг. 2) привода рулевой винт 5 в туннеле 6 обтекателя 7, составное реактивное сопло (СРС) из циклического клапана 12, эжекторной насадки 4 и сопла 11, один из двигателей 2, например левый по полету, связан трактом 8 горячего сжатого газа 9 компрессора двигателя 2 с входом 10 циклического клапана 12 и соплом 11. Периодические последовательные импульсные порции (поршни) 13 горячего сжатого газа на выходе сопла 11, образуя пониженное давление в полости 14 между ними, вместе втягивают массы 15 атмосферного воздуха из окружающего пространства 16 через вход 17 эжекторной насадки 4 в выходной канал 18, связанный с входом турбины 19, соосной с винтом 5, основной поток 20 которого проходит через туннель 6 обтекателя 7 в фюзеляже 3.
При работе силовой установки, когда прокручивается несущий винт, сжатый горячий газ 9 компрессора левого двигателя 2 (фиг. 2) проходит агрегаты и направляется в конце концов на турбину 19, которая помогает раскручивать винт 5 в туннеле 6 вместе с валом привода 21 двигателя 2, работает циклический клапан 12, создается тяга винта в туннеле 6, компенсируется реактивный момент несущего винта (НВ) и имеется запас мощности для путевого управления вертолетом.
Цикличность работы клапана 12 можно рассмотреть так, что, начиная с некоторого момента скорость движения массы воздуха 15 и сжатого газа 9 в эжекторной насадке 4 не поддерживается подачей газа 9 из сопла 11, которая к концу истечения уменьшается, и удаление из насадки массы газа происходит быстрее, чем поступление сжатого газа 9 из сопла 11. Тогда под действием разрежения, образующегося на входной кромке эжекторной насадки 4 и в полости 14, в насадок через вход 17 устремляется масса 15 воздуха из окружающего пространства 16, которая движется вслед за удаляющимися порциями 13 газа из эжекторной насадки 4. Последовательное присоединения масс 15 к циклической массе 9, которое по своему механизму принципиально отличается от эжекции в виде турбулентного захвата и дальнейшего смешения и представляет собой взаимодействие разделенных масс типа газового поршня и выталкиваемого или втекающего воздуха. Такой процесс не основан на трении газовых потоков с большими потерями, однако он связан с образованием волн давления и разрежения и волновыми потерями (см. открытие В. Н. Челомей, О.И. Кудрин, А.В. Квасников. Номер и дата приоритета: №314 от 2 июля 1951 г.).
В номинальном режиме масса (порций) атмосферного воздуха 15, проникающих внутрь диффузора эжекторной насадки 4, добавляет скорость движения к порциям горячей массы 9 из компрессора силовой установки и циклическая струя приобретает суммарный импульс силы на входе 18 в турбину 19, которая придает винту 5 требуемую тягу, превышающую тягу традиционного рулевого винта.
В процессе с циклической активной струей ускорение присоединяемой массы воздуха обеспечивает неуравновешенная сила давления атмосферы при восстановлении равновесного состояния в эжекторной насадке 4, нарушаемого воздействием газовой массы 9 каждого импульса циклической активной струи. Причем присоединяемый воздух 15 в этом процессе ускоряется вслед за массой импульсов сжатого газа, практически, без смешения с ними.
Получаемая в результате последовательного присоединения и ускорения атмосферного воздуха объединенная масса 13 и 15 реактивной струи, истекающая из эжекторной насадки, воздействует на лопатки турбины 19, создавая на ее валу суммарный момент, требуемый от активной струи с потенциальной энергией рабочего тела при расширении.
Внешние атмосферные массы 15 из окружающего пространства 16 при восстановлении равновесного состояния, нарушенного «газовым поршнем», «вдавливаются» в эжекторную насадку 4, ускоряясь вслед за ним. При этом тепловая энергии внешних масс (находящихся вне насадка в равновесном состоянии) преобразуется в кинетическую энергию газового потока, состоящего из этих масс. Причем «газовый поршень» 13 не тратит своей энергии на ускорение присоединяемых газовых масс, потому что при оптимальных геометрических пропорциях и термодинамических параметрах процесса они движутся раздельно - вслед друг за другом практически без смешения и трения. Кроме того, истечение газовой массы «поршней» 13 происходит в область с пониженным давлением (по сравнению с давлением газовых масс вне эжекторной насадки 4), которая образуется в эжекторной насадке 4 за счет ускорения внешних масс 15, уже присоединенных в предыдущем периоде, при этом тяга реактивного сопла 11 увеличивается (см. RU 2188960. БИ 2002, №25. Б.М. Кондратов или Ф.А. Слободкина, А.В. Евтюхин. Теоретическое исследование импульсного эжектора как устройства увеличения тяги авиационного двигателя, ж. Авиационно-космическая техника и технология. 2003. Вып. 8 (43) с. 31-34) или Ханталин Д.С. Влияние взаимодействия масс газа на тяговую эффективность пульсирующих двигателей. pdf. technomag.bmstu.ru>doc/522954.html).
Расположение агрегатов 4, 11, 12, 17 составного реактивного сопла позволяет иметь присоединенную массу, используя сумму сил давления сжатого газа 9 компрессора двигателя 2 силовой установки и от пониженного давления (часть вакуумного разрежения) 14, в тракте составного реактивного сопла при работе циклического клапана 12. При этом улучшается общий термодинамический цикл расширения объемов поступающего горячего сжатого газа непосредственно по выходному тракту из компрессора, например, левого двигателя, но и свободной присоединяемой атмосферной массы воздуха. Общая масса газа от этого суммирования приводит к приросту тяги винта 5 в туннеле 6, достаточной для компенсации реактивного момента НВ.
Приобретенные параметры рулевого винта в туннеле позволили скорректировать внешнюю форму фюзеляжа вертолета, сократить длину трансмиссии механической передачи мощности рулевому винту в туннеле фюзеляжа, что выразилось в отсутствии конструктивно выраженной хвостовой балки, повышении незаметности машины как «вертолета-стелс» при конструктивной компоновке рулевого винта в туннеле фюзеляжа.
Кроме компенсации реактивного момента винт в туннеле используется для путевого управления, через механизм изменения шага (углов установки лопастей) винта, изменяется величина силы относительно вертикальной оси, осуществляется путевое управление. При необходимости пилот может воспользоваться управлением поворотного киля 22, установленного в туннеле 6. Привод поворота лопастей винта 5 и дополнительного поворотного киля 22 размещается внутри в фюзеляже 3.
Предложенная модель позволяет получить расширение арсенала технических средств компенсации момента несущего винта и путевого управления.