КОНВЕРТОПЛАН

Конвертоплан — летательный аппарат (ЛА) с поворотными движителями (как, правило, винтовыми), которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте — как тянущие или толкающие, при этом подъёмная сила в полете обеспечивается крылом самолётного типа. Поворотные движители, как правило, размещаются в мотогондоле, поворот которой осуществляется с помощью дополнительных механизмов.
Известна конструкция конвертоплана по патенту РФ на полезную модель №180688, содержащего фюзеляж, четыре крыла и двигательные группы, каждая из которых содержит два двигателя, размещена с возможностью поворота на конце каждого из четырех крыльев и выполнена в виде мотогондолы с тянущим и толкающим винтами.
Подобная схема позволяет осуществить дублирование при выходе из строя одного из винтов двигательной группы, увеличить тяговую эффективность винтомоторной группы за счет соосного расположения винтов при той же мощности, увеличить эффективность винтомоторной группы за счет распределения нагрузки и повысить максимальную скорости полета благодаря увеличению максимальной мощности, передаваемой на винты, без усложнения механизма.
Задача, решаемая в рамках создания заявленной конструкции, состоит в дальнейшем её совершенствовании, а технический результат – в повышении эффективности заявленного конвертоплана на всех стадиях полета.
Для достижения поставленного результата предлагается в известном конвертоплане, содержащем фюзеляж, крылья и размещенные с возможностью поворота на конце каждого из крыльев двигательные группы в виде мотогондол, каждая из которых содержит тянущий и толкающий винты и соответствующие им двигатели, толкающие винты выполнить с возможностью перевода в положение наименьшего сопротивления воздушному потоку при переходе конвертоплана в режим горизонтального полета и отключении двигателя толкающего винта.
Дополнительно, толкающие винты могут быть выполнены с возможностью складывания вдоль оси вращения; толкающие и/или тянущие винты могут быть выполнены с возможностью флюгирования; каждый из винтов в двигательной группе может быть выполнен с возможностью изменения шага винта; каждый из винтов в двигательной группе может иметь отличный от другого диаметр, профиль лопастей, их число и/или установочный шаг; двигатели могут иметь различную мощность и/или обороты для максимального КПД; каждая из мотогондол может быть снабжена малоразмерным крылом - элевоном или композицией из нескольких, плоскость которых параллельна оси винтов, при этом, как минимум один элевон каждой мотогондолы может быть выполнен с возможностью отклонения в малых углах; винты в мотогондолах могут быть расположены на одной оси вращения или на параллельных осях, а ось вращения, по меньшей мере, одного винта в мотогондоле может быть установлена с возможностью поворота относительно мотогондолы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 – принципиальная схема конвертоплана согласно существу заявленной полезной модели, положение мотогондол соответствует положению вертикального взлета;
фиг.2 – принципиальная схема конвертоплана согласно существу заявленной полезной модели, положение мотогондол соответствует положению горизонтального полета;
фиг.3 – схема согласно фиг.2 со сложенными толкающими винтами;
фиг.4 – принципиальный вариант исполнения мотогондолы;
фиг.5 – график зависимость КПД соосной винтомоторной силовой установкой (ВМГ) от тяги при постоянной скорости летательного аппарата (ЛА).
Со ссылкой на фиг.1, 2 заявленный конвертоплан построен по традиционной схеме, включающей фюзеляж, горизонтальное в виде четырех крыльев и вертикальное хвостовое (опционально) оперения, и размещенные с возможностью поворота на конце каждого из крыльев двигательные группы в виде мотогондол, каждая из которых содержит тянущий и толкающий винты и соответствующие им двигатели.
Использование тянуще-толкающей схемы размещения винтов в одной мотогондоле позволяет изменять вектор тяги обоих винтомоторных групп одним управляющим воздействием. Поворот мотогондол может быть осуществлен независимыми друг от друга приводами (сервомашинами), что позволяет изменять суммарную тягу и моменты сил, действующих на конвертоплан, в соответствии с заданными требованиями системы управления конвертопланом. Кроме того, использование нескольких исполнительных механизмов поворота мотогондолы позволяет сохранить управляемость, при отказе одного из них.
Возможность достижения поставленного результата при использовании заявленной конструкции обусловлена следующими факторами.
кр
Мощность N, затрачиваемая в горизонтальном полете летательного аппарата (ЛА) с винтомоторной силовой установкой (ВМГ), определяется по следующей формуле:
(1) ,
гп
вмг
где: Т – тяга; V – скорость; η - КПД ВМГ.
В случае работы нескольких силовых установок, тяга и мощность распределяются поровну на каждую ВМГ. В случае, если ВМГ состоит из двух соосных винтов, то мощность и тяга делятся дополнительно на каждый винт.
На практике нередки ситуации, при которых от винта требуется создание слишком малой тяги. Однако, в этом случае, он работает в режиме низкого КПД, одновременно потребляя, согласно формуле (1), больше мощности. Кроме того, в случае коаксиальной мотогондолы, толкающий (задний) винт в режиме горизонтального полета находится под воздействием ускоренной струи от тянущего (переднего) винта, что дополнительно понижает его эффективность в режиме горизонтального полета. Таким образом, в случае коаксиальной мотогондолы, возможность отключения толкающих (задних) винтов в режиме горизонтального полета в отдельных случаях способствует общему повышению эффективности ВМГ и конвертоплана в целом. Зависимость КПД ВМГ соосной мотогондолы (для суммы всех 4 мотогондол) для двух случаев показана фиг.5. Дополнительная возможность повышения эффективности заявленного конвертоплана при отключении толкающих винтов обусловлена возможностью разделения функций винтов: тянущий винт может быть оптимизирован под режим горизонтального полета, толкающий – режим вертикального взлета, зависания и т.п.