Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с дополнительными грузовыми модулями и выдвигаемыми воздушными винтами
VERTICAL TAKE-OFF AND LANDING AIRCRAFT WITH ADDITIONAL CARGO MODULES AND RETRACTABLE PROPELLERS

Область техники
Изобретение относится к авиации, конкретно, к многовинтовым винтокрылым летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой, а именно, к мультикоптерам с поворотными воздушными винтами и крыльями.
В изобретении предлагается новая конструкция летательного аппарата (далее ЛА), в которой обеспечивается возможность повышения грузоподъемности путем аддитивного наращивания фюзеляжа дополнительными грузовыми модулями с выдвижными воздушными винтами, обеспечивающими необходимую подъемную силу при взлете, посадке и зависании ЛА.
В сложенном состоянии дополнительные винты плотно прижаты к боковым поверхностям модуля, заходят в боковые ниши или убираются вовнутрь модуля, чтобы не повышать аэродинамическое сопротивление ЛА при круизном полете.
Положительный эффект состоит в повышении грузоподъемности мультикоптера при сохранении экономичности круизного полета.
Предшествующий уровень техники
Известно, что основные энергетические затраты мультикоптеров с крыльями имеют место при взлете, посадке и зависании. В круизном полете при достижении определенных скоростей подъемная сила обеспечивается крыльями, а воздушные винты требуются только для создании тяги и управления вектором тяги, потребная величина которой существенно меньше величины подъемной силы, создаваемой винтами при взлете.
Из этого следует, что для повышения грузоподъемности ЛА требуются дополнительные винты для обеспечения взлета, посадки и/или зависания ЛА, не используемые в круизном полете и не оказывающие существенного аэродинамического сопротивления в сложенном состоянии.
На Фиг. 1. схематически показан мультикоптер (US 10974838), в котором вертикальный взлет обеспечивается массивом из восьми вращающихся в горизонтальной плоскости пропеллеров, а круизный полет обеспечивается всего двумя толкающими пропеллерами и поддерживается подъемной силой, создаваемой крыльями при достаточных скоростях. Подъемные пропеллеры размещены между передним и задним крыльями, чтобы минимизировать аэродинамические сопротивление, создаваемое в круизном полете. Преимуществом мультикоптера является повышенная грузоподъмность. Недостаток состоит в дополнительных энергозатратах на преодоление аэродинамического сопротивления, неизбежно создаваемоего открытыми подъемными винтами в круизном полете.
Для избежания указанного недостатка, воздушные винты помещают в каналы с жалюзями, расположенные в фюзеляже или в крыльях. При взлете, посадке и зависании жалюзи открыты, а винты вращаются, создавая подъемную силу. Во время круизного полета винты выключены, а жалюзи закрыты.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 приведены различные варианты реализации ЛА вертикального взлета и посадки с подъемными винтами в каналах с жалюзи, расположенных в крыльях.
Известен мультикоптер (US 10246184) с крылом, внутри которого расположены шесть каналов с подъемными пропеллерами, по три с каждой стороны фюзеляжа, и одним толкающим винтом. При взлете каналы открыты, а в круизном поле - закрыты, как показано на Фиг. 2а и Фиг. 2b. Недостатком конструкции является повышеная сложность крыльев ЛА и невозможность полноценно заместить большие площади несущих поверхностей крыла с помощью жалюзи.
Известен турбореактивный самолет (US 6843447) вертикального взлета и посадки, в котором несущие воздушные винты находятся в каналах с жалюзи, размещенных в утолщенных частях крыла, примыкающих к фюзеляжу. Недостатком такого ЛА также является необходимость усложнения конструкции крыла и снижение механической прочности и аэродинамического качества крыльев.
Другой известный подход к использованию различных наборов воздушных винтов для взлета/посадки и для круизного полета состоит в том, что часть винтов, использованных для создания подъемной силы при взлете, не используется при горизонтальном полете, а их лопасти складываются, с тем, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление при круизном полете.
В патенте US 9975631 предложен ЛА, в котором для вертикального взлета используется восемь поворотных пропеллеров, а в круизном полете - только четыре. Остальные четыре пропеллера в круизе выключаются, а их лопасти складываются. ЛА в режимах взлета и круизного полета показан на Фиг. 4а и Фиг. 4b, соответственно. Недостатком такого решения является усложнение конструкции воздушных винтов.
Известен ЛА с короткой полосой для взлета и посадки (US 2019/0135426), дополнительно содержащий множество вентиляторов, убираемых по выбору в фюзеляж (аналог).
Использование части из имеющихся воздушных винтов только при взлете/посадке в известных решениях приводит к сложным конструкциям крыльев с закрываемыми жалюзи каналами, в которые помещаются пропеллеры, или к сложным поворотным пропеллерам со складными лопастями. Таким образом, недостатками известных аналогов являются существенное усложнение конструкций крыльев или пропеллеров с неизбежным снижением надежности и аэродинамического качества ЛА.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. ЛА с массивом из восьми открытых воздушных винтов для создания подъемной силы при вертикальном взлете и двумя толкающими винтами для круизного полета (патент US 10974838, аналог).
Фиг. 2. ЛА с шестью воздушными винтами в каналах с жалюзи, симметрично встроенных в крыло, с обеих сторон фюзеляжа. В круизном полете используется один толкающий винт, расположенный на конце фюзеляжа (патент US 10246184, аналог).
Фиг. 3. Турбореактивный самолет вертикального влета и посадки с четырьмя пропеллерами в каналах с жалюзи, встроенных в толстые участки крыла, прилегающие к фюзеляжу. Пропеллеры используются для вертикального взлета и посадки, а турбины для создания тяги в круизном полете (патент US 6843447, аналог).
Фиг. 4. ЛА вертикального взлета и посадки с восемью воздушными винтами на передних кромках поворотных крыльев. При вертикальном взлете и посадке задействованы все винты, в круизном режиме - четыре винта на концах основного переднего и заднего крыльев. Лопасти остальных четырех винтов сложены (патент US 9975631, аналог).
Фиг. 5. ЛА с короткой полосой для взлета и посадки, дополнительно содержащий множество вентиляторов, убираемых по выбору в фюзеляж (патент US 2019/0135426, аналог).
Фиг. 6. Вариант ЛА вертикального взлета и посадки с дополнительными раскладываемыми воздушными винтами: слева - в режиме круизного полета со сложенными дополнительными пропеллерами (в изометрической и боковой проекциях); справа - в режиме вертикального взлета с развернутыми в рабочее положение дополнительными воздушными винтами (в изометрической и боковой проекциях). Отмечены два грузовых модуля.
Фиг. 7. Схематическое изображение устанавливаемого на ЛА съемного грузового модуля с двумя подъемными воздушными пропеллерами, обеспечивающими подъемную силу для его удержания.
Фиг. 8. Вариант ЛА вертикального взлета и посадки с тремя грузовыми модулями: слева - в режиме круизного полета со сложенными дополнительными пропеллерами (в изометрической, боковой, верхней и фронтальной проекциях); справа - в режиме вертикального взлета с развернутыми в рабочее положение дополнительными воздушными винтами (в тех же проекциях).
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей изобретения является повышение грузоподъемности ЛА вертикального взлета и посадки без потери летных качеств в полете.
Решение технической задачи состоит в аддитивном наращивании корпуса ЛА дополнительными модулями с пропеллерами, раскрываемыми и используемыми при взлете, посадке и зависании ЛА, и складываемыми в круизном полете таким образом, чтобы не оказывать влияния на аэродинамическое сопротивление ЛА.
Дополнительные грузовые модули имеют пропеллеры, сложенные в исходном состоянии до взлета, разложенные и вращающиеся во время взлета/посадки или зависания, остановленные и сложенные в исходное состояние в режиме круизного полета.
В сложенном состоянии пропеллеры плотно прижаты к боковым поверхностям модуля или нишам на поверхности модуля, или убраны внутрь фюзеляжа, или находятся в любом другом положении, не приводящем к повышению аэродинамического сопротивления ЛА в полете.
Дополнительные пропеллеры переводятся в рабочее состояние выдвижением их за пределы фюзеляжа и поворотом в положение, нормальное к фюзеляжу для вращения в горизонтальной плоскости. При этом, круги, ометаемые пропеллерами при вращении, не перекрываются.
Предлагаемый ЛА состоит, как это показано на Фиг. 6, из переднего модуля, включающего в себя кабину экипажа и основное переднее крыло с закрепленными на нем воздушными винтами, заднего модуля с оперением и воздушными винтами, а также грузовых отсеков (двух в данном варианте) с дополнительными раскладываемыми пропеллерами для создания подъемной силы.
ЛА с двумя дополнительными подъемными воздушными винтами в двух состояниях, а именно: 1) со сложенными дополнительными пропеллерами в исходном положении ЛА до взлета и в режиме круизного полета (а, с); 2) с развернутыми в рабочее положение пропеллерами при взлете/посадке и зависании (b, d).
В первом состоянии, для обеспечения круизного полета, задействованы только основные пропеллеры, закрепленные на крыльях и повернутые для вращения в горизонтальных плоскостях с целью создания силы тяги ЛА.
Во втором состоянии задействован весь комплект воздушных винтов, и основных и дополнительных, развернутых для вращения в горизонтальных плоскостях с целью создания подъемной силы для обеспечения взлета/посадки и зависания ЛА. Дополнительные пропеллеры крепятся к фюзеляжу и поворачиваются относительно фюзеляжа.
На Фиг. 7 условно показан съемный грузовой модуль с дополнительными пропеллерами, который может быть установлен между описанными выше передним и задним модулями ЛА. Воздушные винты грузового модуля показаны в сложенном состоянии, но могут быть развернуты для вращения в горизонтальном положении для создания дополнительной подъемной силы. Дополнительные пропеллеры выбираются так, чтобы обеспечить подъемную силу, достаточную для вертикального подъема грузового отсека в составе модульного ЛА. Включение грузового модуля в состав модульного ЛА обеспечивает аддитивное повышение грузоподъемности ЛА.
На Фиг. 8 приведен вариант ЛА с тремя грузовыми модулями с дополнительными разворачиваемыми пропеллерами, показанный в исходном состоянии и в полете со сложенными дополнительными пропеллерами (а, с, е, g), а также в состоянии с развернутыми дополнительными пропеллерами при взлете/посадке и зависании (b, d, f, h), в проекциях: изометрической (а, b), боковой (с, d), верхней (е, f) и фронтальной (g, h).
Основные и дополнительные воздушные винты приводятся во вращение электромоторами с управляющими контроллерами. Электрическое питание может обеспечиваться аккумуляторными батареями, гибридным электрогенератором на основе двигателя внутреннего сгорания, электрохимическим генератором на основе водородных топливных элементов или какой-либо пригодной комбинаций из указанных источников электропитания.
ЛА может быть беспилотным и/или пилотируемым.
Приведенные варианты реализации изобретения демонстрируют решение поставленной технической задачи и достижение заявленного результата, а именно, повышение грузоподъемности ЛА вертикального взлета и посадки без существенного усложнения конструкции и потери аэродинамических качеств ЛА в полете.
Приведенные выше варианты ЛА вертикального взлета и посадки с дополнительными грузовыми модулями с раскладываемыми воздушными винтами иллюстрируют возможные реализации заявляемого изобретения, но не ограничивают его по существу и по деталям реализации, включая количество, конструкцию и расположение как основных, так и дополнительных воздушных винтов, способы поворота и складывания дополнительных винтов, а также их размещения в сложенном состоянии и по другим возможным деталям реализации изобретения.