Автомобиль-автолёт с гидроприводом воздушных винтов

Автомобиль-автолёт с гидроприводом воздушных винтов относится к транспортным средствам с комбинированными возможностями осуществления перемещения, в частности к конструкциям летательных аппаратов, построенных на базе легковых автомобилей.
Известными в этой области техники моделями транспортных средств, осуществляющих вертикальный и горизонтальный полёт, имеющих статичную или трансформируемую конструкцию, являются следующие примеры.
Интересным вариантом представляется «Автолет» [Патент на изобретение RU 2360802]. Изобретение относится к области транспортных средств с сухопутным и воздушным режимами движения. Автолет имеет полетный комплекс в составе подвижной подъемно-несущей плоскости с встроенными в нее газогенераторами, турбовентиляторами с изменяемым вектором тяги, балансировочной платформы, связанной с подъемно-несущей плоскостью через осевой поворотный механизм, и продольных направляющих с продольными пазами, расположенных на несущей платформе поверх корпуса транспортного средства, с возможностью продольного перемещения в них балансировочной платформы  и совмещения подъемно-несущей плоскости с центром тяжести транспортного средства. Транспортное средство также содержит трубопроводы газогенераторного газового привода турбовентиляторов, объединенные в единую газопроводящую магистраль, газоструйные рули и систему управления полетным комплексом и газоструйными рулями. Движение в сухопутном режиме обеспечивают независимыми энергосиловыми и управляющими механизмами автомобильного типа. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей транспортного средства.
Недостатком данного варианта является наличие в конструкции дорогостоящего и сложноустроенного оборудования: балансировочная платформа, газогенераторы, турбовентиляторы и т.д., что в конечном итоге скажется на надежности, стоимости и устойчивости реального образца.
Другим примером универсального транспортного средства является «Автолет» [Патент на изобретение RU 2662600]. Изобретение относится к области гибридных транспортных средств. Автолет (летающий автомобиль) содержит несущие одиночные или соосные винты в кольце, газотурбинные двигатели, вращающие несущие винты, электродвигатель, необходимый для перемещения по земле, гибридную систему управления, электрогенераторы. Несущие винты расположены в передней и задней частях корпуса. Несущие винты закрыты жалюзи, которые установлены перпендикулярно салону. Автолет также содержит систему управления и систему управления несущими винтами. Несущие винты содержат автоматы перекоса, электроприводы, электронные устройства, встроенные в электроприводы, бортовой компьютер, редукторы, газотурбинные двигатели. На несущих винтах выполнены соответствующие закрылки для перемещения вперед-назад, влево-вправо. Автолет содержит ускорители для полета вперед, выполненные в виде винтов в кольце и компактных реактивных двигателей. Обеспечивается возможность перемещения в воздухе и по земле, вертикальный взлет, снижение расхода топлива.
К недостатку приведенной модели можно отнести неприменимость технологии к множеству существующих автомобилей из-за необходимости создавать новый кузов для размещения на нем необходимого оборудования. Данное транспортное средство перемещается за счет сложноустроенного оборудования, для действия которого необходимы различные виды энергии. Преобразование одного вида энергии в другой отрицательно скажется на энергоэффективности реального образца.
Еще одним представителем является «Автомобиль легковой с летными эксплуатационными свойствами» [Заявка № 2020144316], который относится к транспортным средствам способным передвигаться по земле и по воздуху. Преимущество данной полезной модели - возможность вертикального взлета и посадки, отсутствие дополнительного времени и физических усилий на приведение автомобиля в лётное состояние, простота в управлении, отсутствие необходимости проектировать автомобиль «с нуля». Преимущество достигается тем, что автомобиль с летными эксплуатационными свойствами проектируется на базе существующего легкового автомобиля. Движение автомобиля по земле осуществляется с помощью двигателя внутреннего сгорания, трансмиссии и ходовой части. Для осуществления полёта автомобиль оборудуется несущим каркасом, крепящимся на кузове автомобиля, электродвигателями, воздушными винтами, аккумуляторами и прочим дополнительным оборудованием необходимым для осуществления полёта. Воздушные винты приводятся во вращение посредством электродвигателей, питаемые от аккумуляторных батарей. Регулируя частоту вращения двигателей, осуществляется полёт в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Недостатками приведённой модели будут являться увеличенные из-за несущего каркаса габариты транспортного средства, что негативно скажется на маневрировании в городских условиях; применение электропривода воздушных винтов, требующих наличия мощных электродвигателей и аккумуляторных батарей, которые имеют падение напряжения при их неиспользовании, работают только в небольшом диапазоне температур, имеют относительно небольшой срок службы и дороги в производстве и применении.
Техническая задача - создание автомобиля, способного перемещаться по дорогам общего пользования, осуществлять вертикальный взлет и посадку, горизонтальный полёт на базе существующего легкового автомобиля, который не требовал бы подготовительных работ и существенных временных затрат для приведения автомобиля в лётное состояние, имел энергоэффективную силовую установку и оптимальные эксплуатационные свойства.
Поставленная задача решаема путем использования в качестве базового транспортного средства автомобиль ВАЗ 1111 «Ока» с применением раздвижной конструкции, установленной на крыше автомобиля. Данная конструкция необходима для крепления и размещения по квадрокоптерной схеме винтомоторных групп (ВМГ) в количестве четырех единиц. ВМГ, в свою очередь, приводятся в действие объемным гидроприводом.
Автомобиль-автолёт является совокупностью существующего легкового автомобиля, дополнительно оборудованного раздаточным механизмом, муфтами, гидронасосами, гидромоторами, направляющей, регулирующей, вспомогательной гидроаппаратурой, электронным блоком управления полётом, датчиками, рычагами управления, и подвижной конструкции, крепящейся к крыше автомобиля, необходимой для закрепления на ней гидромоторов со складными воздушными винтами в количестве четырех единиц, расположенных относительно друг друга по квадрокоптерной схеме, состоящей из выдвижных рам, направляющих элементов, фиксирующих устройств, отличающийся тем, что гидронасосы являются регулируемыми, а два распределителя являются пропорциональными с возможностью изменения расхода гидромоторов.
Для осуществления поставленной задачи базовый автомобиль подвергается изменению: укрепляется крыша, заменяются капот, боковые двери, дверь багажника, другие детали салона и кузова на изделия, изготовленные из современных композитных материалов. Заменяются базовые агрегаты - двигатель внутреннего сгорания, коробка передач, - и меняется их компоновка. Данное решение обусловлено необходимостью достижения рассчитанных параметров гидрообъемной трансмиссии и оптимального распределения центра тяжести транспортного средства.
Полезная модель поясняется чертежами и схемами:
на фиг. 1 изображен автолёт, компоновочная схема, вид сверху;
на фиг. 2 изображен автолёт в режиме полёта, вид сбоку;
на фиг. 3 изображен автолёт в режиме полёта, вид сверху;
на фиг. 4 изображен автолёт в режиме езды, вид сверху;
на фиг. 5 изображен автолёт в режиме езды, вид спереди;
на фиг. 6 изображен автолёт, гидравлическая схема принципиальная.
Представленный летающий автомобиль содержит: 1 - двигатель внутреннего сгорания; 2 - ведомые колёса; 3 - сцепление; 4 - коробку передач; 5 - раздаточный механизм; 6 - карданные передачи; 7 - гидронасосы; 8 - ведущие колеса; 9 - дифференциал; 10 - главную передачу; 11 - шарниры равных угловых скоростей; 12 - лопасти воздушных винтов; 13 - гидромоторы; 14 - верхнюю ступицу винта; 15 - нижнюю ступицу винта; 16 - направляющие элементы; 17 - фиксирующие устройства; 18 - выдвижные рамы; Ф1, Ф2 - фильтры; Н1-Н4 - гидронасосы; КП1-КП8 - предохранительные клапана; Р1-Р10 - распределители; Ц1, Ц2 - гидроцилиндры; М1-М4 - гидромоторы; ОХ1-ОХ6 - охладители; КО1-КО4 - обратные клапана.
Направляющие элементы 16 служат для правильного направления движения рам 18, фиксации рам 18 от поперечных перемещений, крепления всей конструкции, обеспечивающей полёт, к кузову автомобиля.
Фиксирующие устройства 17 предназначены для закрепления и удержания от продольных перемещений выдвижных рам 18 в направляющих элементах 16 в режимах полёта и езды.
Выдвижная рама 18 является сварной конструкцией из проката различного сечения, изготовленной из легких алюминиевых сплавов, и предназначена для закрепления на ней ВМГ.
Воздушный винт представляется совокупностью отдельных взаимосвязанных элементов, в основном ими являются лопасти винтов 12, верхняя ступица 14, нижняя ступица 15. Таким образом, получаем винт общим диаметром в 2,5 м с возможностью складывания для уменьшения габаритов транспортного средства. Фиксация лопастей и их поворот относительно друг друга будет происходить за счет сил трения, возникающих в контакте двух осей лопастей с нанесенными на них зубьями. Используя внешнее воздействие, например, человека или специального привода, на одну лопасть, получаем перемещение другой лопасти во встречном направлении. Дополнительная фиксация лопастей осуществима с помощью штифтов или винтов.
Раздаточный механизм представляет собой совокупность зубчатых колес с передаточным числом равным 1, заключенных в единый корпус. Механизм служит для передачи крутящего момента от двигателя к гидронасосам и ведущим колёсам без изменений.
В режиме обычной езды по дорогам общего пользования автомобиль работает без существенных отличий от традиционного автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания 1 через сцепление 3 передает крутящий момент на пятиступенчатую коробку передач 4, карданную передачу 6 в раздаточный механизм 5. При выключенных односторонних кулачковых муфтах гидронасосов (не показаны) и включенной муфте привода колёс (не показана) крутящий момент от раздаточного механизма 5 передается через карданную передачу 6, главную передачу 10, дифференциал 9, шарниры равных угловых скоростей 11 на управляемые ведущие колеса 8.
В режиме полёта крутящий момент при включенных односторонних кулачковых муфтах гидронасосов (не показаны) и выключенной муфте привода колёс (не показана) от раздаточного механизма 5 передается в равной степени через карданные передачи 6 на гидронасосы 7.
В это же время, при определенном действии водителя - пилота, из салона автомобиля поступает электрический сигнал на фиксирующие устройства 17, в которых располагается электромеханический привод, воздействующий на выдвижные рамы 18, выдвигая их. При достижении крайнего положения рам 18 фиксирующие устройство 17 посредством электропривода вкручивает в предназначенные для этого места винты в рамы 18, закрепляя их.
Перемещение автомобиля в вертикальном направлении осуществляется синхронным изменением частоты вращения всех винтов. Для полёта в желаемом направлении автомобилю в воздухе необходимо наклониться на определенный угол в сторону движения. Наклон достигается путем изменения силы тяги винтомоторных групп на противоположных сторонах автомобиля. Например, для полёта вперёд частота вращения передних винтов немного уменьшается, позволяя автомобилю отклониться на определенный угол тангажа от первоначального положения. Достигнув нужного значения угла наклона, частота вращения всех моторов увеличивается на компенсирующую величину. Таким образом, автомобиль прекращает непрерывно наклоняться, и баланс тяги восстанавливается.
Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть летающий автомобиль в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому два винта, например, передний левый и задний правый, вращаются по часовой стрелке и два других против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент раскомпенсируется и автомобиль начнет поворачиваться против часовой стрелки. Поворот по часовой стрелке осуществляется аналогично.
Гидравлическая схема включает в себя два главных контура, содержащих регулируемые насосы (Н3, Н4), гидромоторы (М1-М4), охладители (ОХ3-ОХ6). Схема также содержит систему управления насосами, систему подпитки, которая нужна для устранения возможной кавитации и утечек, систему предохранения трансмиссии от перегрузки, дополнительную систему отвода избытка нагретой рабочей жидкости из гидромоторов на слив.
Преобразование механической энергии бензинового двигателя в гидравлическую осуществляется регулируемыми насосами, которые связаны непосредственно связаны с ДВС. Нерегулируемые гидромоторы преобразуют гидравлическую энергию потока рабочей жидкости в механическую, вращая воздушные винты.
Регулирование частот вращения винтов осуществляется с помощью системы управления, включающей насос Н1, перепускной клапан КП1, предотвращающий случайное повышение давления, пропорциональные распределители (Р1, Р2) с электронным управлением, гидроцилиндры (Ц1, Ц2), необходимые для регулирования подачи рабочей жидкости насосами, и охладитель ОХ1. При изменении положения золотников распределителей, происходит подача рабочей жидкости от насоса Н1 через фильтр Ф1 в правую или левую полость гидроцилиндров, вследствие чего подача жидкости насосами (Н3, Н4) увеличивается или уменьшается, что в свою очередь изменяет частоту вращения гидромоторов (М1-М4). Тяги, закреплённые на штоках гидроцилиндров, перемещают корпуса распределителей, возвращая золотники в исходное положение, при котором в обе полости гидроцилиндров подаётся одинаковое количество рабочей жидкости. При прекращении перемещения золотников, частоты вращения валов гидромоторов сохраняются постоянными.
Главное отличие и преимущество в способе регулирования частоты вращения воздушных винтов. На схеме представлены главные контуры для переднего и заднего ряда винтов (левый и правый контур соответственно). Рассмотрим, для примера, работу левого контура. Регулируемый насос Н3 подает рабочую жидкость в гидромоторы М1 и М2 в равном объеме и давлении. Это обеспечивает равный вращающий момент и угловую скорость валов гидромоторов. Но для совершения маневра и достижения стабильного состояния в воздухе транспортному средству необходимо изменять данные параметры в широком диапазоне. Изменить расход, а, следовательно, частоту вращения гидромоторов позволяют пропорциональные распределители Р5 и Р6 с электронным управлением, которые часть подачи насоса Н3 перенаправляют во всасывающую линию в обход гидромотору. При необходимости увеличения угловой скорости вращения винтов на одной оси и уменьшения на другой подача насоса вырастает, в то время как один из распределителей, например, Р5 направляет предоставленный объем рабочей жидкости целиком на гидромотор, а другой (Р6) перенаправляет часть рабочей жидкости во всасывающую линию.
Из-за наличия утечек главные контуры нуждаются в системе подпитки рабочей жидкости. Эта система состоит насоса Н2, предохранительного клапана КП2, обратных клапанов (КО1-КО4). Насос Н2 подаёт охлаждённую рабочую жидкость из бака в главные контуры через клапаны (КО1-КО4). В случае повышения давления клапан КП2 перепускает жидкость на слив.
Система предохранения от перегрузки включает по клапану высокого давления (КП4, КП6) в каждом главном контуре, которые в случае превышения нагрузки на валу гидромоторов сбрасывают рабочую жидкость из напорной линии во всасывающую в обход гидромоторов.
Система отвода нагретой жидкости включает распределители (Р4, Р5, Р7, Р8) с гидравлическим управлением, клапаны (КП4, КП5, КП7, КП8) и охладитель ОХ2. Так как подача насоса Н2 больше утечек, то образующийся во всасывающих линиях излишек рабочей жидкости, нагретый после выхода из гидромоторов, дополнительно охлаждается, поступая через данные распределители и клапаны, охладитель ОХ2 в бак. Золотники распределителей данных перемещаются под воздействием давления в напорных линиях. Также вся рабочая жидкость охлаждается непосредственно после гидромоторов в охладителях (ОХ3-ОХ6).
Для управления насосами и изменения расхода гидромоторов применяются распределители с электронным управлением, которые, в свою очередь, принимают сигналы от электронного блока управления полётом (ЭБУП) (не показан). ЭБУП отвечает за координацию, стабилизацию и управление транспортным средством в полёте. Данный блок управления собирает информацию с блока датчиков, включающих гироскоп акселерометр, барометр (не показаны), и по показаниям датчиков рассчитывает свое положение в пространстве, определяет угловые ускорения и скорость движения; собирает информацию о внешних воздействиях, таких как отклонения рычагов управления пилотом; отправляет управляющие сигналы на распределители, которые, в конечном итоге, изменяют частоту вращения гидромоторов. Таким образом, транспортное средство меняет свое положение в пространстве на углы крена, тангажа и рысканья. Также в ЭБУП будут записаны допустимые значения углов наклона для исключения вероятности наклона свыше допустимого уровня.
Управление полётом человеком осуществляется через рычаги управления (не показаны), посылающие управляющие сигналы в ЭБУП. Движение вверх левым рычагом отвечает за увеличение оборотов всех ВМГ (автомобиль взлетает); движение вниз - снижение оборотов и снижение автомобиля. Наклон рычага влево поворачивает машину против часовой стрелки, наклон вправо - по часовой стрелке. Движение вверх правым рычагом отвечает за наклон автомобиля назад, движение вниз - за наклон вперед. Отклонение рычага влево осуществляет наклон влево, отклонение рычагом вправо производит наклон вправо.
Таким образом, представленная конструкция универсального транспортного средства является решением проблемы затрудненной транспортировки людей или грузов в удаленные, труднодоступные места жительства.