ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ

Полезная модель относится к области авиастроения, а именно к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки с несущей системой типа «винт в кольце».
Достоинства и недостатки такой несущей системы изучались профессором Б.С. Стечкиным в ЦАГИ еще в конце 20-х - начале 30-х годов прошлого столетия. В наши дни созданной в МАИ академической школой эта система продолжает изучаться (см. Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце. - М.: Изд-во МАИ, 1996, и другие более поздние работы до наших дней). Есть данные, что тяговые характеристики системы повышаются до 20-30% при определенных соотношениях диаметров винтов, длины и профиля кольца, скорости полета и пр. Эти показатели могут быть достигнуты за счет существенного снижения перетекания воздуха на концах лопастей и уменьшения потерь мощности на индуктивном сопротивлении. Поэтому такая несущая система актуальна в вертолетостроении.
Известна несущая система летательного аппарата "винт в кольце", по патенту RU 136 417, В64С 29/00,2013, состоящая из несущего винта, расположенного в профилированном кольце, в котором выполнены взаимно пересекающиеся горизонтальная и вертикальная рулевые поверхности, имеющие отклоняемые и неотклоняемые участки поверхности и жестко закрепленные неотклоняемые участки поверхности на внутренних стенках профилированного кольца. Несущий винт установлен перед неотклоняемыми взаимно пересекающимися рулевыми поверхностями, а профилированное кольцо выполнено разделенным на 8 одинаковых частей, каждая из которых имеет хвостовой участок в форме прямоугольника, представляющего собой крыло в разрезе с хвостовым отклоняемым элементом. Во время полета пилот с помощью ручек управления задает необходимое направление движения летательного аппарата, данные команды с помощью системы электродистанционного управления передаются на рулевые машинки, которые отклоняют рулевые поверхности кольца в ту или иную сторону. Отклонение рулевых поверхностей (в разных комбинациях) позволяет получить требуемые управляющие моменты, которые соответствуют выбранному пилотом направлению движения аппарата. Однако вся эта сложная система рулевых поверхностей является дополнительным препятствием на пути воздушного потока от винта. В результате их суммарное лобовое сопротивление может требовать дополнительные мощности на его преодоление.
Известен беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий корпус с шасси, органы управления горизонтальным движением, емкости для топлива, аппаратуру управления полетом и установленную на корпусе с помощью штанг винтомоторную группу, состоящую из двигателя и двух соосных несущих винтов внутри кольцевого канала с возможностью вращения в противоположных направлениях (патент RU 51966, В64С 39/02, 2005). Аппарат содержит органы управления горизонтальным движением, выполненные в виде автоматов перекоса несущих винтов или в виде воздушных рулей управления по тангажу и крену, установленных на штангах внутри кольцевого канала. Полезная модель обеспечивает повышение величины подъемной силы, увеличение скорости горизонтального полета, повышение маневренности летательного аппарата и запаса устойчивости системы управления угловым движением, снижение расхода топлива и упрощение процесса дистанционного управления полетом оператором. Однако первая из систем управления горизонтальным полетом является весьма сложной, а вторая - может служить источником потерь мощности при обтекании аэродинамических управляемых поверхностей.
Известен также летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий корпус, шасси, горизонтальное и вертикальное оперения, винтомоторные группы, состоящие из двигателей и несущих винтов, размещенных внутри единого кольцевого обтекателя (патент RU 2080014, В64С 27/20, 1993). Несущие винты установлены с взаимным перекрытием и соединены с двигателями через редукторы, связанные между собой синхронизирующими валами. Недостатком этого аппарата может быть малоэффективное управление при горизонтальных перемещениях на малых скоростях полета, т.к. может обеспечиваться только рулевыми поверхностями на горизонтальном и вертикальном оперении.
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом, является летательный аппарат вертикального взлета и посадки по патенту RU 2348568, В64С 39/10, В64С 29/00, B60F 5/02, 2009. Этот летательный аппарат содержит корпус, выполненный в виде фюзеляжа с кабиной экипажа, шасси, П-образным хвостовым оперением и несколькими винтомоторными группами, состоящими из двигателей и несущих винтов, размещенных внутри кольцевых каналов. Передние и задние винтомоторные группы обеспечивают вертикальный взлет. Задние винтомоторные группы имеют возможность поворота вокруг поперечной оси, что обеспечивает отклонение вектора тяги в продольной плоскости. За счет этого реализуется возможность управления горизонтальным полетом вперед-назад. Над верхней хвостовой частью корпуса размещен набор управляемых решетчатых крыльев. На нижней поверхности корпуса выполнены диффузорные каналы, а кольцевые каналы передних винтомоторных групп снабжены управляемыми элерон-лопатками. Выполнение диффузорных каналов на нижней поверхности корпуса и перепуск в них части воздушного потока от передних систем типа "винт в кольце" управляемыми элерон-лопатками могут обеспечивать поперечное управление аппаратом на очень малых скоростях полета. Путевая устойчивость аппарата обеспечена двухкилевым вертикальным оперением, обеспечивающим создание стабилизирующего путевого момента. Недостатком такого аппарата является использование большого набора управляемых и неуправляемых аэродинамических поверхностей, образующих сложную систему, сквозь которую прокачивается интенсивный, высокоскоростной поток воздуха. Протекание потока воздуха в столь сложном лабиринте каналов может привести к существенным потерям мощности из-за большого лобового сопротивления множества аэродинамических поверхностей и снижению эффективности управления.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение недостатков прототипа за счет исключения сложных систем аэродинамических поверхностей и каналов на пути воздушного потока, прокачиваемого винтами, и повышение эффективности управления путем непосредственного отклонения вектора тяги в необходимом направлении.
Поставленная задача в предлагаемом летательном аппарате вертикального взлета и посадки, содержащем корпус с кабиной экипажа, шасси, хвостовое оперение и винтомоторные группы, состоящие из двигателей и несущих винтов, размещенные в поворотных кольцевых каналах, решаются тем, что между корпусом и каждым кольцевым каналом установлена дополнительная рама посредством двух пар шарниров, одна из которых обеспечивает возможность поворотов дополнительной рамы совместно с кольцевым каналом вокруг поперечной оси, а другая пара шарниров обеспечивает возможность поворотов кольцевого канала относительно дополнительной рамы вокруг продольной оси корпуса.
Шарниры могут быть выполнены в виде цапф, закрепленных на корпусе и на дополнительной раме, и сопряженных с ними втулок, закрепленных на дополнительной раме и на кольцевом канале.
Каждая винтомоторная группа может состоять из двух несущих винтов с возможностью вращения в противоположных направлениях, закрепленных на валу двигателя, расположенного между ними и связанного с кольцевым каналом силовыми элементами.
В каждой винтомоторной группе привод поворотами дополнительной рамы вокруг поперечной оси и привод поворотами кольцевым каналом вокруг продольной оси может быть выполнен в виде рулевых машинок.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - вид летательного аппарата вертикального взлета и посадки сбоку в горизонтальном полете в путевом направлении (сечение по продольной оси);
- на фиг. 2 - вид летательного аппарата вертикального взлета и посадки спереди в горизонтальном полете в поперечном направлении (сечение А-А на фиг. 1);
- на фиг. 3 - вид узла винтомоторной группы сбоку;
- на фиг. 4 - вид узла винтомоторной группы сверху.
Летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержит корпус 1 с кабиной экипажа 2, шасси 3 и П-образное хвостовое оперение, состоящее из вертикальных и горизонтальных аэродинамических поверхностей 4 и 5. Вертикальное оперение оснащено поворотными плоскостями рулей направления, а горизонтальное оперение оснащено поворотными плоскостями рулей высоты. Внутри корпуса 1 спереди и сзади кабины размещены две идентичные винтомоторные группы, каждая из которых состоит из двигателя 6 с двумя соосными несущими винтами 7 и 8, установленными в кольцевых каналах 9. Двигатели 6 закреплены внутри кольцевых каналов 9 посредством штанг 10, а винты 7-8 установлены на валах сверху и снизу двигателя 6 с возможностью вращения в противоположных направлениях. Между корпусом 1 и каждым кольцевым каналом 9 посредством двух пар шарниров установлена дополнительная рама 11. Одна пара шарниров 12 обеспечивает возможность поворотов дополнительной рамы 11 совместно с кольцевым каналом 9 вокруг поперечной оси, а другая пара шарниров 14 обеспечивает возможность поворотов кольцевого канала 9 относительно дополнительной рамы 11 вокруг продольной оси корпуса. Каждая пара шарниров выполнена в виде цапф, закрепленных на корпусе 1 и на дополнительной раме 11, и сопряженных с ними втулок, закрепленных на дополнительной раме 11 и на кольцевом канале 9. Привод наклона дополнительной рамы вокруг поперечной оси и привод наклона кольцевых каналов вокруг продольной оси может быть выполнен в виде рулевых машинок. В кабине размещены органы управления вертолетом: ручка управления (РУ), педали и рычаг управления двигателями (РУД), дифференциальные сигналы от которых поступают в интегрирующее устройство, от которого подаются команды на рулевые машинки. Для улучшения аэродинамических характеристик корпуса 1 на нем могут быть установлены обтекатели 15. В полостях между обтекателями 15 и корпусом 1 могут быть размещены емкости для топлива. Под пилотской кабиной может быть образован грузовой отсек 16.
Летательный аппарат вертикального взлета и посадки работает следующим образом.
Перед выполнением взлета кольцевые каналы 9 находятся в нейтральном положении, т.е. их ось вертикальна. После включения двигателей 6, размещенных в кольцевых каналах 9, управляя РУД увеличивают обороты двигателей 6. Под действием силы тяги соосных винтов 7 и 8 аппарат взлетает вертикально, и в результате балансировки может выполнить зависание. На режиме висения, если отклонить РУ в продольной плоскости, произойдет поворот кольцевых каналов 9 на шарнирах 12 на угол ±α (фиг. 3), что приведет к наклону вектора тяги Т вперед или назад. Вследствие появления соответствующей горизонтальной составляющей вектора тяги Т, т.е. пропульсивной силы F, аппарат может начать горизонтальный полет в соответствующем направлении. При отклонении РУ в поперечном направлении произойдет синхронный поворот кольцевых каналов 9 на шарнирах 14 на угол ±β (фиг. 2) и отклонение вектора тяги Т в поперечной плоскости. В результате может произойти движение аппарата в поперечном направлении. При работе педалями рулевые машинки могут отклонять передний и задний кольцевые каналы 9 на шарнирах 14 на угол β в противоположных направлениях, что приведет к появлению вращающего момента вокруг вертикали и развороту аппарата на месте.
Летательный аппарат после вертикального взлета и набора безопасной высоты переходит из режима висения в горизонтальный полет (фиг. 1). При этом его поворотные винтомоторные группы плавно переводятся в положение «разгона», когда их оси занимают положение с увеличенными углами α. В горизонтальном полете поворотные плоскости рулей направления, размещенных на вертикальном оперении 4, выполняют функции путевого управления. Путевая устойчивость аппарата обеспечена двухкилевым вертикальным оперением. Функции продольного управления полетом аппарата по крену и тангажу переходят к поворотным плоскостям рулей высоты, размещенным на горизонтальном оперении 5.
В горизонтальном полете за счет дифференциального изменения величины и направления вектора тяги передних и задних винтомоторных групп возможна смена курса с выполнением виражей и без них, поперечное перемещение с различными скоростями независимо от направления ветра. Это обеспечено движителями, имеющими эффективную пропульсивную силу. Отклонение винтомоторных групп (в разных комбинациях) позволяет получить требуемые управляющие моменты, которые соответствуют выбранному пилотом направлению движения аппарата.
Обратный переходный режим от горизонтального полета к режиму висения и вертикальной посадке выполняется следующим образом. Летательный аппарат переводится в режим торможения путем плавного поворота винтомоторных групп на угол, обеспечивающий вертикальное направление вектора тяги. Аппарат зависает над местом посадки и плавно за счет уменьшения тяги винтомоторных групп переходит в режим вертикального снижения до касания шасси 3 земной поверхности.
Предлагаемая концепция летательного аппарата вертикального взлета и посадки может обеспечить повышенную надежность и эффективность управления, в том числе в условиях турбулентной атмосферы, обладать необходимой маневренностью в широком диапазоне скоростей полета вплоть до зависания аппарата в воздухе и вертикальной посадки.