ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
AIRCRAFT

Изобретение относится к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки с электрической силовой установкой.
Известен аналог - летательный аппарат - CN 107521681, 15.06.2016, имеющий винт большого диаметра, имеющий электромагнитный привод, лопатки которого расположены под обшивкой, имеются направляющие лопатки, расположенные в нижней части на пути потока, создаваемого лопатками ротора, выполненные отклоняемыми с возможностью изменения направления потока.
Недостатками аналога являются низкая маневренность, сложность в управлении летательным аппаратом в полете и повышенный расход энергии. Все три недостатка обусловлены следующими особенностями конструкции. При схеме управления с помощью отклонения потока, создаваемого винтом дополнительными лопатками, невозможно или сложно из неподвижного положения наклонить фюзеляж. Так как в устройстве винта отсутствует автомат перекоса, то винт создает равномерный по окружности поток. Поэтому в результате перенаправления потока всегда будет создаваться вектор силы, направленный в какую-либо сторону. Это исключает возможность поворота из неподвижного состояния без линейного перемещения в сторону. С точки зрения аэродинамики и управления полетом предложенная схема требует значительных исследовательских работ по обеспечению тяги и управления полетом. Под вопросом безопасность такой схемы управления. Высокий расход обусловлен тем, что при таком типе управления полетом большая часть энергии расходуется на лишние перемещения.
Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является летательный аппарат - US 7410123, 12.08.2008, принятый в качестве прототипа, содержащий фюзеляж, состоящий из внутренней и наружной частей, в котором расположены соосные несущие винты, выполненные из лопастей, расположенных между внутренней и наружной частями фюзеляжа, лопасти имеют электромагнитный привод, на концах лопастей имеются подвижная часть линейного электромагнитного двигателя, на сопрягаемой с ней части фюзеляжа имеется неподвижная часть линейного электромагнитного двигателя, расположенная вдоль окружности вращения лопастей.
Недостатком прототипа является необходимость использования дополнительных средств для управления летательным аппаратом. Это усложняет конструкцию, снижает надежность и лишает маневренности. У летательного аппарата имеется фюзеляж с оперением, основные турбореактивные двигатели, связанные с генераторами электрического тока и дополнительная силовая установка с электромагнитным приводом предназначенная для обеспечения вертикального взлета и посадки. Также рассматривается вариант применения электрической установки в качестве привода рулевого хвостового винта, позволяющего управлять полетом. Из-за наличия дополнительных элементов, необходимых для управления, увеличивается вероятность поломки и повышается опасность применения летательного аппарата.
Технической задачей изобретения является совмещение функций тяги и управления летательным аппаратом в соосно расположенных винтах с электромагнитным приводом без применения дополнительных винтов или оперения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении маневренности, надежности, безопасности летательного аппарата, снижении веса, обеспечении высокого КПД силовой установки, низкого уровня шума, обеспечении возможности изготовления крупногабаритных летательных аппаратов вертикального взлета с рассматриваемой схемой обеспечения тяги и управления.
Технический результат достигается в летательном аппарате, содержащем фюзеляж, состоящий из внутренней и наружной частей, между которыми с обеспечением вращения в разные стороны соосно размещены верхний и нижний роторы, каждый из которых состоит из наружного и внутреннего кольцевых корпусов, связанных между собой лопастями, каждый ротор представляет собой подвижную часть электромагнитного двигателя, по внешнему контуру корпуса ротора имплантированы магниты, на сопрягаемой с ротором части фюзеляжа имеется неподвижная часть линейного электромагнитного двигателя, расположенная вдоль окружности вращения лопастей, отличающийся тем, что на концах лопастей имеются электромагнитные шарниры, выполненные с возможностью управления шагом лопасти.
На фиг. 1 изображен вид с разрезом летательного аппарата.
На фиг. 2 изображен увеличенный разрез летательного аппарата.
На фиг. 3 изображен вид сверху летательного аппарата.
На фиг. 4 изображена схема поворота электромагнитного шарнира лопасти.
На фиг. 5 изображен шарнир лопасти.
На фиг. 6 изображен крупногабаритный летательный аппарат.
На фиг. 7 изображен увеличенный разрез крупногабаритного летательного аппарата.
Летательный аппарат содержит фюзеляж 1, как показано на фиг.1, состоящий из внутренней 2 и наружной 3 частей, между которыми с обеспечением вращения в разные стороны соосно размещены верхний 4 и нижний 5 роторы, каждый из которых состоит из наружного 6 и внутреннего 7 кольцевых корпусов, связанных между собой лопастями 8, каждый ротор 4, 5 представляет собой подвижную часть электромагнитного двигателя, по внешнему контуру корпуса 6 ротора 4 (или 5) имплантированы магниты 9, как показано на фиг. 2, 3, на сопрягаемой с ротором 4 (или 5) части фюзеляжа 1 имеется неподвижная часть 10 линейного электромагнитного двигателя, расположенная вдоль окружности вращения лопастей 8, на концах лопастей 8 имеются электромагнитные шарниры 11, выполненные с возможностью управления шагом лопасти 8.
Рассмотрим пример конкретной реализации летательного аппарата. Летательный аппарат в примере конкретной реализации предназначен для одного человека. Он изображен на фиг. 1. Фюзеляж 1 изготовлен из полимерного композиционного материала - стеклопластика, углепластика, органопластика или высокопрочного армированного термопласта типа полиэфирэфиркетон или полиэфирэмид. Лопасти 8 имеют интегральную конструкцию из полимерного композиционного материала и металла. На внутренней поверхности наружной части 3 фюзеляжа 1 имплантирована неподвижная часть 10 линейного электромагнитного двигателя в виде элемента возбуждения первичного электромагнитного поля - катушки. В корпус ротора 6 имплантированы элементы магнитного возбуждения 9 -постоянные магниты. При подаче напряжения на катушки 10 происходит радиальное перемещение элементов 9 с необходимой заданной угловой скоростью. Соосное расположение роторов 4, 5 и их вращение в противоположные стороны обеспечивает вертикальный взлет и посадку летательного аппарата. Электромагнитный шарнир 11 состоит из элемента электромагнитного возбуждения - катушки 12 и постоянного магнита 13.
Рассмотрим летательный аппарат в работе. Управление полетом летательного аппарата осуществляют через контроллер, который согласованно управляет скоростью вращения верхнего 4 и нижнего 5 роторов и общим шагом лопастей 8 дляодновременного увеличения угла атаки всех лопастей винта и управления циклическим (дифференциальным) шагом лопастей - изменение угла атаки лопастей в определенном угловом секторе плоскости вращения. Последнее нужно для наклона летательного аппарата в сторону - по крену и тангажу. Оба эти маневра обеспечиваются электромагнитными шарнирами 11. Принцип действия электромагнитного шарнира 11 также основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче электрического сигнала на элементы электромагнитного шарнира 11 лопасти 8разворачиваются. Шарнир 14, расположенный на противоположном относительно электромагнитного шарнира 11 конца лопасти 8 является подшипником сухого трения с оргалоновым или керамическим покрытием. Для обеспечения высокого ресурса также может быть применено ионноплазменное упрочнение трущихся поверхностей. Вместо него возможно использование электромагнитного упорного подшипника для обеспечения высокого ресурса. За счет применения электромагнитного шарнира 11, обеспечивающего управление шагом лопастей 8 достигается маневренность летательного аппарата. Летательный аппарат может поворачиваться по тангажу и крену без бокового перемещения - на месте. Отсутствие механических связей, как в автомате перекоса вертолетов, делает устройство более надежным и легким. За счет перемещения лопастей 8 в подвешенном состоянии в электромагнитном поле исключается трение. Благодаря этому повышается КПД силовой установки. Это вместе с отсутствием двигателя внутреннего сгорания делает летательный аппарат практически бесшумным. Благодаря применению электромагнитного шарнира 11 на лопасти 8 исключается необходимость применения в летательном аппарате оперения, крыла и дополнительной силовой установки, как в прототипе. На схеме фиг. 4 показаны магниты 9 (M1, М2) подвижной части электромагнитного шарнира 11, которые имплантированы в шарнир лопасти, и катушки 10 (К1, К2, К3), которые имплантированы в корпус ротора 6. На фиг. 4 показано нейтральное положение хорды лопасти 8. Это положение нуля градусов. При необходимости поворота хорды лопасти на 15 градусов подают напряжение на катушку К1. При необходимости дальнейшего поворота лопасти 8 до 30 градусов подается напряжение на катушку КЗ. Нахождение магнита М2 около катушки К2 соответствует режиму вертикального полета. Лопасть 8 может быть установлена на эластомерный подшипник 16, как показано на фиг. 5. Аналоги таких подшипников применяются в современных вертолетах. Внутренняя поверхность эластомерного подшипника закреплена на лонжероне лопасти 8, внешняя поверхность закреплена в корпусе 7 ротора. Подшипник 16 представляет собой набор из труб с промежуточными слоями из резины. Благодаря такой конструкции он обеспечивает демпфирование при циклическом изменении шага лопасти.
Применение изобретения возможно при конструировании пилотируемых летательных аппаратов вертикального взлета и посадки по схеме, показанной на фиг. 1, 2, 3. А также аппаратов, использующих аэростатический принцип полета - дирижаблей, как показано на фиг. 6, 7. На фиг. 6, 7 изображены схемы компоновки оригинального дирижабля тороидной формы с электромагнитной силовой установкой, имеющей соосные роторы 4, 5 и электромагнитной системой управления полетом за счет изменения угла атаки лопастей 8 несущих роторов 4, 5. Также возможно использовать изобретение в качестве силовых установок для дирижаблей классической сигарообразной или иной формы.