МАХОЛЕТ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть применено при конструировании махолетов, которые могут быть использованы в виде самостоятельного летательного аппарата для наблюдения за поверхностью земли с высоты в лесном и сельском хозяйстве, геологии, топографии и в других областях деятельности. Кроме того, настоящее устройство может устанавливаться в виде движителя на легкие летательные аппараты такие, как дельтапланы или планеры.
Одной из важных проблем конструирования крыла махолетов является минимизация отрицательной подъемной силы при взмахе крыла вверх и отсутствие возможности управления в процессе полета геометрической формой крыльев.
Из «Уровня техники» известен махолет, описанный в патенте РФ №2043950, кл. В64С 33/00, опубл. 20.09.1995. В крыле известного махолета используется система клапанов, вмонтированных в плоскость крыла, которые при движении крыла вверх открываются и пропускают сквозь себя воздух, а при движении крыла вниз закрываются и обеспечивают образование подъемной силы.
Недостатком такой конструкции является ее сложность, связанная с большим количеством подвижных деталей и то, что суммарная площадь клапанов в итоге оказывается сравнительно небольшой и сопротивление воздуха при движении крыла вверх остается значительным.
Также известна модель летательного аппарата, в которой уменьшение отрицательной подъемной силы достигается разворотом плоскости крыла при его движении вверх (см. А.С. СССР №1818274, кл. В64С 33/00, опубл. 30.05.1993).
Недостатком конструкции является невозможность ее непосредственного использования при изготовлении летающих микрообъектов. Другим недостатком является ее сложность, связанная с тем, что к сложному движению крыла добавляется необходимость поворота вокруг дополнительной оси.
Наиболее близким аналогом является устройство машущих навстречу друг другу тандемно расположенных крыльев летательного аппарата с приводом, содержащее податливые на кручение крылья и соединенные в противофазе кривошипно-шатунно-коромысловвые механизмы, двуплечими рычагами-коромыслами которых являются лонжероны или силовые кромки податливых на кручение крыльев. Кривошипы механизмов посредством трехшарнирных шатунов-подкосов связаны с парами коромысел-лонжеронов каждого крыла так, что возможны возвратно-угловые перемещения с отставанием друг от друга, что создает циклический перекос лонжеронов между собой, вызывающий закономерную крутку крыльев в процессе махания для обеспечения углов атаки сечений крыла в потоке. Управляемый угол установки оси махания крыльев создает независимый от машущего движения дополнительный перекос крыла относительно оси верхних шарниров шатуна для управления по крену (см. патент РФ №2298509, кл. В64С 33/02, опубл. 10.05.2007).
Такая конструкция может работать только с небольшой амплитудой махов, поскольку изменяющийся угол, образованный лонжероном и шатуном, обеспечивает силовой момент для скручивания в небольшой амплитуде. Таким образом, для получения подъемно-тяговой силы, достаточной для обеспечения полета, необходимо увеличить количество махов за единицу времени, что может привести к резонансу крыльев и разрушению устройства.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в увеличении надежности устройства, уменьшении массы конструкции и обеспечении возможности управления во время полета геометрией формы крыла.
Технический результат обеспечивается тем, что махолет содержит полужесткий каркас, два машущих крыла, хвостовой стабилизатор, приводы машущих крыльев и двигатель. При этом каждое машущее крыло содержит подвижный осевой ограничитель, основной и вспомогательный лонжероны, цевье, нервюры, стрингеры и маятниковую опору и выполнено с возможностью изменения его жесткости и геометрии. Кроме того, крылья соединены друг с другом с помощью эластичной мембраны, а приводы машущих крыльев выполнены в виде двух кривошипно-шатунных механизмов махового движения крыльев, обеспечивающих синхронное движение крыльев.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие конструктивные особенности.
Мембрана выполнена из кевларовой или карбоновой ткани.
Каркас выполнен из углепластика.
Конструкция машущих тандемно крыльев выполнена с возможностью изменения их жесткости и геометрии. Крылья планетарно вращаются вокруг базовой оси, изменяя геометрию в зависимости от скорости махолета. Они совершают маховые движения с увеличенной амплитудой маха до 180°. Трансформация формы крыла происходит за счет изменения натяжения стрингеров, которые закреплены между корпусом, маятниковой опорой и вершиной крыла. При махе вниз стрингеры натягиваются, закрепленная на лонжеронах опора выгибает крыло, и оно приобретает форму для создания подъемно-тяговой силы. Форма крыла корректируется в зависимости от скорости его движения на протяжении всего полета. Скручивание, выгибание и приобретение жесткости обеспечиваются путем натяжения стрингеров, а также их изменением векторной тяги на вершину крылу. При остановке крыла в процессе полета, свойства жесткости утрачиваются. Крыло приобретает свободную форму и под воздействием воздушного потока занимает пассивно положение наименьшего сопротивления.
Настоящая полезная модель поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг.1 - изометрическое изображение махолета;
Фиг.2 - профиль крыла;
Фиг.3 - приводы машущих крыльев;
Фиг.4 - отображает принцип полета махолета;
Фиг.5 - схема изменения формы крыла.
Устройство содержит следующие конструктивные элементы:
1 - полужесткий каркас;
2 - машущее крыло;
3 - хвостовой стабилизатор
4 - привод машущего крыла;
5 - кривошип;
6 - зубчатая звездочка;
7 - цепь;
8 - подвижный осевой ограничитель;
9 - основной лонжерон;
10 - вспомогательный лонжерон;
11 - нервюра;
12 - стрингер;
13 - маятниковая опора;
14 - ступица;
15 - цевье;
16 - мембрана.
Махолет содержит полужесткий каркас 1 из углепластика, содержащий жесткий корпус с прикрепленным к нему хвостовым стабилизатором 3, два машущих крыла 2, приводы машущих крыльев 4 и двигатель. При этом соединения всех элементов каркаса 1 являются полужесткими за исключением соединений между цевьем и основанием основного лонжерона 9 и первой нервюрой 11.
Приводы машущих крыльев 2 состоят из двух кривошипов 5, которые устанавлены параллельно продольной оси устройства и с небольшим отклонением в противоположные стороны. Две звездочки 6 установлены соосно на коренные шейки шатунов, их синхронность вращения обеспечивается бесконечной (замкнутой) скрещенной в виде восьмерки роликовой цепью 7, установленной одновременно на обе зубчатые звездочки 6. Шатун выполнен заодно со ступицей 14, а свободный конец соединен с каркасом 1 через подвижную тягу.
Каждое крыло 2 выполнено из кевларовой или карбоновой ткани. При этом каждое машущее крыло 2 содержит подвижный осевой ограничитель 8, основной и вспомогательный лонжероны 9, 10, цевье 15, нервюры 11, стрингеры 12, выполненные из кевларового фала в комбинации с эластичным жгутом. Цевье 15 имеет свойство ограниченно поворачиваться в ступице 14, амплитудой до 90 градусов. Вспомогательный лонжерон 10 шарнирно соединен с основным лонжероном 9 и подвижным осевым ограничителем 8 в верхней части крыла 2, кроме того, он имеет ползунково-шарнирное соединение с нервюрой 11, образуя прямоугольный треугольник. Другие нервюры 11 шарнирно соединены с основным лонжероном 9, а также имеют ползунково-шарнирное соединение с вспомогательным лонжероном 10. Стрингеры 12 соединяют крылья 2 с корпусом через маятниковую опору 13, расходясь от каждого крыла 2 по направлению к корпусу веерообразно.
Крылья 2 соединены друг с другом с помощью эластичной мембраны 16, выполненной из кевларовой или карбоновой ткани с армированием эластичными жгутами.
Устройство работает следующим образом.
Двигатель осуществляет вращение двух зубчатых звездочек 6, объединенных цепью 7. При этом шатуны циклично качают основные лонжероны 9 крыльев 2, раскачивая их. Хвостовой стабилизатор 3 выполняет функцию гашения опрокидывающих моментов при махе крыльев 2, поскольку при этом линия центра давления крыльев 2 смещается от центра тяжести устройства вперед или назад. Кроме того, при маховых движениях крыльев 2 проявляется сильный крутящий момент, направленный по курсу полета. Ему препятствуют конструктивные элементы крыльев 2. Сила упругости элементов устройства превышает лобовое сопротивление махолета, что обеспечивает его поступательное движение.
При повороте и формировании из фазы «мах вверх» для маха вниз крыло 2 поворачивается принудительно в вертикальном положении, при этом вытесняющий воздух создает реактивную струю в противоположную сторону направления движения.
Крылья 2 устройства совершают в воздухе сложную траекторию движения, близкую к овалу. Рабочий продуктивный ход начинается при махе вниз. Натягиваясь, стрингеры 12 принуждают крыло 2 поворачиваться вокруг оси лонжерона. Подвижный осевой ограничитель 8 придает дополнительную жесткость крыльям 2, облегчающую управление геометрической формой в процессе маха и исключающую неконтролируемую деформацию крыльев.
При махе вниз угловая скорость крыла 2 выше угловой скорости кривошипа 5. Не совпадение орбит между крылом 2 и стрингерами 12 придает крылу 2 дополнительное ускорение в начале такта и снижается равномерно по мере сближения орбит, параллельно меняется геометрия крыла 2. Орбиты вращения стрингеров 12 и вершины крыла 2 пересекаются в месте изменения направления движения крыла 2, лонжероны распрямляются полностью. Следует отметить, что в начале фазы «мах вниз» в увеличивающее пространство между крыльев втягивается воздух со стороны направления движения, что придает аппарату дополнительное ускорение.
Вершина крыла прекращает движение «мах вниз», но корень лопасти продолжает опускаться. Крыло 2 утрачивает жесткость и пассивно принимает форму для наименьшего лобового сопротивления. Эластичная мембрана 16, соединяющая коренные нервюры 11 крыльев 2, может иметь положительный угол атаки и функционирует, как самостоятельное крыло. Она служит для предотвращения срыва потока воздуха в конце фазы «мах вниз» и проникновения воздуха снизу при втягивании его в клиновидное пространство.
В положении основного рабочего хода передний стрингер 12 ограничивает скручивание крыла 2. Далее воздействие стрингеров 12 прекращается, крыло 2 утрачивает жесткость, и разворачивается вокруг основного лонжерона 9.
При махе вверх цевье 15 крыла 2 поворачивается, и крыло 2 принимает положение параллельно потоку воздуха. Схлопывание крыльев 2 происходит при повороте нервюр 11 вдоль продольной оси устройства, при этом вырабатывается приобретенная кинетическая энергия.
Предлагаемая конструкция позволяет значительно уменьшить массу и поперечное сечение крыльев 2 путем распределения нагрузки через стрингеры 12 и меняющей жесткости крыла 2. Кроме того. Использование эффекта схлопывания лопастей «эффект бабочки» значительно увеличивает тяговые свойства устройства.
Увеличенная амплитуды качения и относительная легкость крыла позволяет увеличить количество махов за единицу времени. В процессе эксплуатации устройства резонансно-динамического удара не возникает, поскольку приобретенная кинетическая энергия крыльев 2 поглощается при схлопывании и амортизации о «воздушную подушку». На протяжении всего маха вниз крыло 2 меняет свою конфигурацию в зависимости от угловой скорости, адоптируется для создания подъемно-тяговой силы и изменяет угол атаки.