ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ
VTOL AIRCRAFT

Изобретение относится к летательной технике тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в частности к транспортным средствам с электрической силовой установкой на основе топливных элементов и солнечных батарей.
Известны вертолеты, летательные аппараты тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в которых с помощью несущего винта создают подъемную силу и тягу (Политехнический словарь. Под редакцией академика А.Ю.Ишлинского. М.: Изд. "Советская энциклопедия". 1980. С.75-76).
Недостатком вертолетов является сложная конструкция.
Известен летательный аппарат тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, содержащий корпус с установленной на нем горизонтальной несущей плоскостью, над которой установлен ротор с горизонтальными лопастями, создающий при вращении область пониженного давления над несущей поверхностью, и за счет разности давлений возникает подъемная сила (патент RU №2184685 С2, В64С 29/00, 39/00. 10.07.2002).
Недостатком известного технического решения являются высокие потери на трение.
Наиболее близким из известных технических решений предлагаемому летательному аппарату с вертикальным взлетом и посадкой является летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой (патент RU №2219104 С1, В64С 29/00. 20.12.2002), содержащий корпус в виде полусферы с горизонтально расположенным дном, силовую установку с мощной газовой горелкой для жидкого топлива, средства взлета/посадки, энергопитания, коммуникации и управления.
Недостатком известного технического решения является низкая топливная эффективность.
Задачей данного изобретения является повышение топливной эффективности на всех режимах полета летательного аппарата.
Технический результат реализации изобретения заключается в улучшении массогабаритных характеристик и топливной эффективности летательного аппарата.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в летательном аппарате с вертикальным взлетом и посадкой, содержащем корпус, силовую установку, средства взлета/посадки, энергопитания, коммуникации и управления, корпус летательного аппарата выполнен в виде летающей тарелки с верхней и нижней аэродинамическими поверхностями и имеет устройства автоэмиссии электронов, генерации и ускорения отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха, размещенные на корпусе в виде распределенной по аэродинамической поверхности секционированной электродной системы силовой установки летательного аппарата, соединенной с системой энергопитания, которая содержит топливные элементы и панели солнечных батарей, размещенные в корпусе и на его поверхности. При этом устройство автоэмиссии электронов и топливные элементы выполнены на основе углеродных нанотрубок, а отношение шага между электродами к длине свободного пробега частиц окружающего воздуха равно примерно 50.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Электрическая силовая установка летательного аппарата, представляющая собой распределенную по аэродинамической поверхности летательного аппарата электродную систему, инициирует за счет автоэлектронной эмиссии и энергии сродства молекул кислорода к свободному электрону появление вблизи аппарата отрицательно заряженных ионов кислорода окружающего воздуха. Образовавшиеся ионы ускоряют градиентным электрическим полем силовой установки, создают поток ионизированного воздуха в окрестности летательного аппарата, формируют реактивную струю и тягу силовой установки. Кроме того, организованное движение ионизированного воздуха над верхней аэродинамической поверхностью приводит к понижению давления и формирует над ней область пониженного давления. При этом возникает дополнительная подъемная сила F, действующая на летательный аппарат и появившаяся за счет разности давлений над нижней и верхней аэродинамическими поверхностями летательного аппарата.
Тяга силовой установки и подъемная сила F направлены в одну сторону и обеспечивают режим взлета, висения и посадки. Управляя наклоном оси аппарата, можно регулировать горизонтальную составляющую тяги и скорость горизонтального полета аппарата. Секционирование распределенной по поверхности аппарата электродной системы позволяет усилить управляющий импульс и повысить маневренность летательного аппарата.
Схема летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой для реализации изобретения показана на чертеже.
Устройство состоит из корпуса 1 с верхней аэродинамической поверхностью 2 и нижней - 3, силовой установки 4, средств взлета/посадки 5, электропитания 6, коммуникации 7 и управления 8, имеет устройство автоэмиссии электронов 9 с холодными эмиттерами электронов из углеродных нанотрубок, устройство генерации и ускорения отрицательно заряженных ионов 10, размещенные на корпусе 1 в виде распределенной по аэродинамической поверхности секционированной электродной системы 11 силовой установки 4, соединенной с системой энергопитания 6, созданной на основе топливных элементов 12 и панелей солнечных батарей 13, расположенных внутри корпуса 1 и на его верхней аэродинамической поверхности 2.
Работает устройство следующим образом.
Топливные элементы 12 преобразуют запасенную в них химическую энергию окисления водорода в электричество и питают совместно с панелями солнечных батарей 13 электродную систему 11 силовой установки 4 летательного аппарата. Для генерации ионов используют способность молекул кислорода за счет энергии сродства к электрону присоединять к себе свободные электроны, которые вблизи аэродинамической поверхности аппарата получают с холодных эмиттеров устройства автоэлектронной эмиссии 9. Созданные таким образом отрицательно заряженные ионы ускоряют градиентным электрическим полем электродной системы 11. Ионы в электрическом поле на длине свободного пробега приобретают энергию направленного движения и передают ее при столкновениях нейтральным частицам воздуха или в актах перезарядки отдают им свободный электрон. Процесс циклически повторяют. В результате вблизи аэродинамической поверхности 2 формируется обтекающий ее поток ионизированного воздуха, создающий реактивную тягу. Движение воздуха над верхней аэродинамической поверхностью 2 создает также над ней область пониженного давления и дополнительную подъемную силу F, действующую на летательный аппарат.
Реактивная тяга распределенной по аэродинамической поверхности электрической силовой установки 4 и подъемная сила F определяют режим взлета, висения и посадки летательного аппарата. Горизонтальный полет определяет горизонтальная составляющая тяги, которую регулируют углом наклона оси аппарата к вектору скорости полета. Управляющие импульсы формируют системой управления, которая перераспределяет электрическую мощность между отдельными секциями электродной системы 11 силовой установки аппарата.
Полезность реализации предлагаемого технического решения состоит в том, что:
- предлагаемая электрическая силовая установка не содержит вращающихся узлов и деталей, что снижает вес, повышает ресурс и топливную эффективность;
- система энергопитания на топливных элементах обеспечивает прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую практически без потерь и совместную их работу с панелями солнечных батарей.
В настоящее время завершается разработка проекта демонстратора технологий и беспилотного летательного аппарата с электрической силовой установкой.