Винтокрылый летательный аппарат
ROTARY-WING AIRCRAFT

[01] Область техники
[02] Изобретение относится к области авиации, а именно к аэродинамической схеме (системе) винтокрылого летательного аппарата (ЛА) и может найти применение в конструкции летательных аппаратов различного назначения, от миникоптеров до тяжелых океанских экранопланов.
[03] Уровень техники
[04] Наиболее близким аналогом изобретения является летательный аппарат, описанный в публикации заявки США US2021371096A1, 02.12.2021. ЛА содержит каркас (фюзеляж), на котором установлено несколько ВМГ и крыльев. В примере реализации аналога с каждой стороны каркаса размещено по два крыла и четыре ВМГ, расположенные по бокам фюзеляжа. При этом указанные ВМГ установлены на крыльях с возможностью поворота элементов относительно двух поперечных осей на угол 90°. Недостатком указанного аналога является низкая маневренность ЛА, невозможность движения в противоположных направлениях в режиме горизонтального полета, а также сложность конструкции.
[05] Основной технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение является узкие возможности по маневрированию ЛА в режиме горизонтального и вертикального полетов, а также на переходных режимах.
[06] Раскрытие сущности изобретения
[07] Техническими результатами изобретения является обеспечение возможности горизонтального полета ЛА на высоких скоростях в обоих направлениях (вперед или назад), возможность вертикального полета, посадки и взлета, увеличение маневренности, упрощение конструкции и повышение универсальности конструкции ЛА.
[08] Указанные технические результаты достигаются в изобретении за счет того, что винтокрылый летательный аппарат (ЛА) включает каркас, на котором установлены винтомоторные группы (ВМГ) и крылья, причем ВМГ выполнены с возможностью поворота относительно поперечных осей каркаса. Каркас выполнен в виде рамы, с первой стороны которой по бокам соосно размещено две ВМГ, а со второй стороны в центре - одна ВМГ. Причем все ВМГ установлены с возможностью независимого друг от друга поворота относительно двух поперечных осей рамы на угол по меньшей мере 360°.
[09] Согласно частным вариантам реализации изобретения:
[010] - рама может иметь ферменную конструкцию и содержит по меньшей мере два продольных элемента, ориентированных вдоль продольной оси рамы, и соединенные с ними по меньшей мере два поперечных элемента, ориентированных поперек продольной оси рамы, причем с первой стороны рамы две ВМГ размещены на первом поперечном элементе снаружи пространства, образованного продольными элементами, а со второй стороны одна ВМГ размещена на втором поперечном элементе внутри указанного пространства;
[011] - поперечные элементы могут быть выполнены трубчатыми;
[012] - ЛА может содержать два крыла, установленных на первом поперечном элементе с первой стороны по бокам рамы за ВМГ, и два крыла, установленных на втором поперечном элементе со второй стороны по бокам рамы;
[013] - ЛА может дополнительно содержать крыло, установленное на первом поперечном элементе в центре рамы;
[014] - ЛА может содержать дополнительные крылья, размещенные на раме ниже крыльев, установленных на поперечных элементах.
[015] - крылья могут быть установлены с возможностью поворота относительно поперечных осей на угол до 360° синхронно с ВМГ или независимо от поворота ВМГ;
[016] - каждая ВМГ может содержать по меньшей мере один толкающий и/или тянущий винт.
[017] Предложенная компоновка аэродинамической схемы ЛА, имеющей раму ферменной конструкции, в которой предусмотрено три ВМГ (одна в центре одной стороны и две других по краям с другой стороны), способных независимо друг от друга поворачиваться вокруг осей, перпендикулярных продольной оси симметрии ЛА, на 360° или более, позволяет ЛА эффективно взлетать, садиться и летать, как в режиме самолета, так и в режиме вертолета. Возможно движение вперед и назад на скоростях от 0 до 500 км/ч, и выполнение сложных фигур пилотажа, которые не в состоянии выполнить ни самолеты, ни вертолеты. При этом в описанной компоновке трех ВМГ ни одна из них ни при каких условиях не окажется в зоне возмущенного потока от других ВМГ.
[018] Краткое описание чертежей
[019] Изобретение поясняется фигурами, где
[020] - на фигуре 1 показана принципиальная схема летательного аппарата при горизонтальном полете,
[021] - на фигуре 2 показана схема летательного аппарата при вертикальном полете,
[022] - на фигуре 3 показан альтернативный вариант выполнения летательного аппарата с дополнительными крыльями.
[023] Элементы конструкции обозначены на фигурах следующими позициями:
1 - рама,
2,3 - продольные элементы рамы,
4 первый поперечный элемент рамы,
5 - второй поперечный элемент рамы,
6 - винтомоторная группа (ВМГ),
6а, 6b - ВМГ на первой стороне рамы,
6с - ВМГ на второй стороне рамы,
7 - крыло,
7a,7b,7c,7d,7e - основные крылья,
7f,7g,7h,7i - дополнительные крылья,
8 - первая сторона рамы,
9 вторая сторона рамы,
Y - продольная ось рамы,
X1, Х2 поперечные оси рамы
[024] Осуществление изобретения
[025] Заявленная конструкция летательного аппарата в базовом варианте исполнения включает каркас в виде прямоугольной рамы (1), имеющей ферменную конструкцию. Рама (1) образована по меньшей мере двумя продольными элементами (2) и (3), которые размещены параллельно продольной оси (Y) рамы (оси ЛА), и по меньшей мере двумя поперечными элементами (4) и (5), соединяющими продольные элементы (2,3) по их концам. Поперечные элементы (4,5) предназначены для установки на них винтомоторных групп (6) и крыльев (7) ЛА, при этом поперечные элементы (4,5) образуют две поперечные оси (Х1,Х2) для вращения ВМГ (6). Рама (1) ЛА также может содержать большее число продольных и поперечных элементов.
[026] С первой стороны (8) рамы (1) по ее бокам (т.е. снаружи по отношению к продольным элементам 2,3) на первом поперечном элементе (4) размещено две соосных ВМГ (6а) и (6b). Со второй стороны (9) рамы по центру (т.е. между продольными элементами 2,3) на втором поперечном элементе (5), размещена одна ВМГ (6с). Каждая из трех ВМГ (6а, 6b, 6с) выполнена с возможностью независимого от других ВМГ вращения относительно своей поперечной оси (X1 или Х2) на угол 360°. Таким образом, в зависимости от положения ВМГ (6а, 6b, 6с) первая (8) и вторая (9) стороны рамы могут являться передней или задней частью ЛА. Каждая из ВМГ (6а, 6b, 6с) в базовом варианте содержит один тянущий или толкающий винт. В другом варианте ВМГ (6а, 6b, 6с) может содержать два или более толкающих и/или тянущих винта. В частности, ВМГ (6) могут выполняться в следующих вариантах: с одним тянущим или толкающим винтом; с одним тянущим и одним толкающим винтом; с двумя соосными тянущими или толкающими винтами; с двумя соосными тянущими и двумя соосными толкающими винтами. Предложенная компоновка ЛА также позволяет применять ракетные и реактивные движители.
[027] Расположение крыльев (7) на раме (1) ЛА может быть различным в зависимости от модификации конструкции. В базовом варианте Л А имеет четыре крыла (7): два крыла (7а,7b), установленных с первой стороны (8) на первом поперечном элементе (4) по бокам рамы (1) снаружи относительно ВМГ (6а,6b), и два крыла (7 с,7d), установленных со второй стороны (9) на втором поперечном элементе (5) по бокам рамы (1). Также возможно размещение еще одного крыла (7е) с первой стороны (8) на первом поперечном элементе (4) в центре рамы (1) (см. фиг. 1). Кроме того, возможно наличие дополнительных крыльев (7f,7g,7h,7i), расположенных с первой (8) и/или второй (9) стороны рамы (1) по ее бокам. Указанные дополнительные крылья (7f,7g,7h,7i) могут быть расположены ниже основных (7а,7b, 7с, 7d, 7е), например, как показано на фигуре 3. Следует отметить, что расположение, размеры и количество крыльев (7) не ограничено вариантами, показанными на фигурах 1-3. В частности, крылья (7) можно расположить так, чтобы они в совокупности образовывали многощелевое крыло. При этом верхние и нижние крылья в средней части ЛА могут образовывать замкнутый силовой контур.
[028] Крылья (7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f, 7g, 7h, 7i) могут быть выполнены с возможностью вращения (поворота) относительно поперечных осей (X1, Х2) на угол до 360°. При этом указанное вращение может осуществляться синхронно с ВМГ (6а, 6b, 6с) или независимо от них. Если на небольших беспилотниках проще осуществлять поворот с помощью обычных сервоприводов, то на пилотируемых ЛА напрашивается решение совместить узел поворота ВМГ с редуктором в одном корпусе с единой маслосистемой. Привод крыльев, в зависимости от размера и компоновки ЛА, можно осуществлять с помощью электроприводов или гидравлики, или их комбинации. Выполнение поперечных элементов трубчатой конструкции позволяет снизить вес ЛА. Диаметр трубчатых поперечных элементов (5,6) в целом не ограничен и может выбираться исходя из прочности конструкции и минимизации веса. Внутри элементов (5,6) можно дополнительно разместить двигатели, топливные баки и другое оборудование.
[029] С целью облегчения производства, ремонта и обслуживания рама (1) ЛА может быть выполнена разборной, а все ВМГ (6) и крылья (7) - одинаковыми и взаимозаменяемыми. Это позволит легко собирать ЛА и заменять его элементы на новые.
[030] Несмотря на то, что в рамках настоящей заявки описана только аэродинамическая схема ЛА, специалисту в данной области техники будет очевидным, что ЛА также открывает возможность применения новых конструкторский и технологических решений не только в конструкции ЛА, но и в системе управления, топливной системе, системе аварийного покидания самолета, гидравлической системе, навигационной системе и т.д.
[031] Компоновка ЛА в виде рамы позволяет применить сборно-разборную ферменную конструкцию фюзеляжа, состоящую из четырех-пяти серийно производимых элементов (лонжероны, стойки, раскосы, расчалки). Это не помешает оснастить данный ЛА системой дозаправки в воздухе, катапультными креслами для экипажа, сбрасываемым на парашютах (в аварийной ситуации) пассажирским салоном. Также конструкция позволит менять в условиях эксплуатирующей организации пассажирский салон на грузовой или поисково-спасательный, или для тушения лесных пожаров и т.д.
[032] Работа ЛА может осуществляться следующим образом.
[033] В режиме горизонтального полета крылья (7) и ВМГ (6) ориентированы в горизонтальной плоскости (см. фиг. 1). При необходимости смены направления полета ВМГ (6) могут быть развернуты на 180° синхронно с крыльями (7) или отдельно от них. При вертикальном взлете или полете в режиме «вертолета» (см. фиг. 2) ВМГ (6) и крылья (7) размещаются вертикально или под углом. На переходных режимах и при выполнении сложных маневров ВМГ (6) независимо друг от друга поворачиваются на определенный угол для изменения направления движения и/или ориентации ЛА в пространстве. Так, например, ЛА может выполнить фигуру «солнышко», пристыковываться к вертикальной поверхности или зависнуть в воздухе. Время переходного режима может зависеть от многих факторов, но в основном - чем тяжелее ЛА, тем больше время разгона его до скорости, позволяющей «лечь» на крыло.