ВИНТОКРЫЛ БЕЗРУКОВА

Полезная модель относится к авиации, в частности к коммерческим скоростным гибридным летательным аппаратам со свойствами самолета и вертолета.
Известны винтокрылы - летательные аппараты, сочетающие в своей конструкции приводной несущий винт вертолетного типа, крыло и отдельные движители для создания горизонтальной тяги по типу самолетов. С помощью несущих винтов реализуются вертикальные взлет и посадка (хотя основными могут считаться взлет с разбегом и посадка с пробегом). В горизонтальном режиме полет осуществляется за счет пропульсивных движителей, а несущие винты обычно работают только на создание подъемной силы и могут значительно разгружаться за счет крыла.
Винтокрыл, обладая несущим винтом, может производить вертикальный взлет и посадку, как вертолет. В полете наличие крыла и дополнительных движителей (чаще всего воздушных винтов), как у самолета, позволяет ему развивать достаточно большую скорость по сравнению с аналогичным вертолетом, что является основным преимуществом. В горизонтальном полете несущий винт винтокрыла работает в режиме авторотации (или очень близким к нему), как у автожира.
Несмотря на сходство винтокрыла на различных режимах полета с вертолетом, самолетом и автожиром, его отличают:
от вертолета - наличие «самолетного» крыла и дополнительных движителей, как следствие - более высокая скорость горизонтального полета;
от самолета - наличие «вертолетного» несущего винта, как следствие - возможность вертикального взлета, посадки и висения;
от автожира - прежде всего наличие «вертолетного» привода несущего винта (возможность постоянной передачи больших мощностей), как следствие - возможность висения на месте, вертикального набора высоты и снижения.
Объединение в винтокрыле систем различных летательных аппаратов привело к появлению специфических недостатков такой конструкции:
На вертолетных режимах (висение, вертикальный набор высоты и снижение, полеты на малых скоростях) - не используются дополнительные движители, а крыло не только неэффективно, но и создает дополнительное сопротивление потоку от несущего винта;
На самолетных режимах (полет с крейсерской скоростью) - несущий винт работает в режиме авторотации, при этом создает дополнительное сопротивление.
Такое применение элементов, которые задействованы только на отдельных режимах полета, приводит к усложнению конструкции и снижению весовой эффективности винтокрыла. Также система управления винтокрылом является компромиссом между системами управления вертолета и самолета. /https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%8B%D0%BB/
По-настоящему первый свободный полет на вертолете осуществил Поль Карно. Произошло это историческое событие 13 ноября 1907 года также во Франции вблизи Лизье.
Соотечественник Монгольфье поднялся в воздух на двухвинтовом летательном средстве, оснащенном двигателем "Антуанетт" мощностью 24 лошадиных сил. Машина находилась в воздухе всего 20 секунд на высоте от 0,3 до 1,5 метров (в литературе приводятся разные данные). Но даже такая высота показалась огромной, и поэтому все последующие испытания проводились на привязи.
Существенным недостатком первых винтокрылов была их неуправляемость. Поэтому поиски оптимальной конструкции продолжались. Итальянец Дж.А.Крокко высказал мысль о создании вертолета с циклическим шагом винта.
Правда, эта мысль была воплощена в жизнь спустя несколько лет, в 1912 году датским изобретателем Якобом Эллехаммером.
Существует проект фиксируемого в полете несущего винта, так называемый X-Wing, устанавливаемый на вертолете Sikorsky S-72.
Существуют также проекты несущего винта с дисковым крылом, например «Discrotor» Фирмы Boeing или Вертолет Эллехаммера (англ.). В проекте «Discrotor» лопасти несущего винта телескопические, во время полета лопасти могут убираться внутрь дискового крыла.
В США этот аппарат называют «вертолет будущего» Boeing DiscRotor. Его концепцию предложили конструкторы корпораций Боинг и DARPA. Как не трудно догадаться эта концептуальная машина, как и ее российский аналог, создается для решения одной проблемы -кардинального увеличения максимальной скорости вертолета и доведения ее до величин сравнимых с аналогичными показателями у самолетов.
Данная концепция не новое изобретение. Она была изобретена датским инженером Иаковом Эльхаммером в начале прошлого века.
Это по сути реактивный самолет для придания которому свойств вертолета сверху приделан винт прячущийся в специальный диск, для того что бы не оказывать сопротивления при горизонтальном полете. Основным ноу-хау данной концепции являются раскладывающиеся на подобии подзорной трубы, винты. По мнению инженеров Боинга, данная машина будет способна развивать скорость до 850 км/час. Диск имеет диметр порядка 4000 мм, еще на 3600 мм раздвигаются складные лопасти. Грузоподъемность машины должна составить 2400 килограмм.
Еще, в 2011 году, должна была быть построена модель в 1/10 от реальной размера. Которая, должна была пройти полный цикл испытаний. Было это сделано или нет, и какие результаты испытаний, неизвестно. Но, судя по тому, что в сети нет, никаких упоминаний о таких испытаниях, скорее всего, что-то помешало. Видимо создание таких лопастей стало гораздо более тяжелой задачей, чем казалось в начале. И машина по-прежнему летает только в красивых видеороликах.
https://alternathistory.livejournal.com/1101812.html
Известен скоростной винтокрыл вертикального взлета и посадки, который содержит фюзеляж с хвостовой балкой и килем, две консоли крыла и два несущих винта, расположенных на консолях крыла и установленных с перекрытием, при этом несущие винты выполнены жесткими. Силовая установка состоит из двух газотурбинных двигателей, которые встроены в корневую часть консолей крыла. На киле спереди установлен тяговый винт, предназначенный для создания дополнительной пропульсивной силы, и выполнено горизонтальное оперение, причем ось тягового винта расположена в плоскости горизонтального оперения. Два газотурбинных двигателя соединены через элементы трансмиссии: концевые редукторы, трансмиссионные валы и синхронизирующий редуктор - с несущими винтами и через синхронизирующий редуктор, хвостовой трансмиссионный вал, промежуточный редуктор, трансмиссионный вал и концевой редуктор -с тяговым винтом, причем промежуточный редуктор со стороны хвостового трансмиссионного вала снабжен муфтой сцепления-расцепления. Силовая установка может содержать третий газотурбинный двигатель, установленный в хвостовой балке. Повышается транспортная эффективность винтокрыла.
http://www.freepatent.ru/patents/2453472
Известны также летательные аппараты вертикального взлета и посадки с поперечной схемой расположения несущих винтов с шарнирным креплением лопастей и имеющие по бокам фюзеляжа две консоли крыла, по размаху близкие к радиусу несущего винта, с двумя или более пропульсивными движителями, расположенными под несущими винтами (винтокрылы Ка-22_rus/ka-22-r.html, Ка-34_rus/ka-34-r.html и Ка-35_rus/ka-35-r.html; GB 1152741, 1969; US 2011/0180673 А1, 2011).
Их недостатком является то, что для обеспечения прочности и жесткости крыла большого размаха, необходимо увеличивать строительную высоту крыла и площадь сечения силовых элементов, что приводит к значительному увеличению габаритов и веса конструкции, увеличению лобового сопротивления и, как следствие, к снижению скорости и весовой отдачи летательного аппарата, т.е. снижается его транспортная и (или) боевая эффективность.
Другим недостатком этих винтокрылов является расположение двух и более пропульсивных движителей под несущими винтами, что приводит к усложнению конструкции, увеличению ее габаритов, веса и вредного сопротивления. Кроме того, такое расположение приводит к значительному повышению уровня шума как внутри летательного аппарата, так и на местности вследствие взаимовлияния пропульсивных движителей и несущих винтов.
Известны также проект боевого винтокрыла В-100 (_rus/kamov_v-100-r.html) и проект боевого винтокрыла Ми-28 (28-kb-milya-sssr) поперечной схемы с толкающим винтом, расположенным в конце хвостовой балки, причем ось толкающего винта направлена по оси хвостовой балки.
Недостатком указанных проектов является повышенный риск травмирования людей при десантировании или погрузке-выгрузке при работающих двигателях. Другой недостаток состоит в том, что понижается безопасность полета вследствие возможного разрушения лопастей толкающего винта при посадке в режиме авторотации.
В нашей стране активнее всех тематикой винтокрылов занимается ОАО «Камов». Наибольшие перспективы в настоящее время имеет его проект Ка-92. Этот многоцелевой винтокрыл представляет собой доработанный вертолет с соосной схемой несущих винтов и соосными же винтами толкающими. По предварительным расчетам, два турбовальных двигателя (примерная мощность не оглашалась) смогут разогнать машину до скорости около 500 км/ч. С такой скоростью винтокрыл Ка-92 будет способен перевозить до 30 пассажиров на расстояние около 1400 километров. Проект Ка-92 по своим целям напоминает английский Fairey Rotodyne: он должен стать винтокрылым транспортным средством с низкими требованиями к размеру площадки для взлета и посадки. Одновременно с этим он должен иметь летные данные, с которыми сможет конкурировать с пассажирскими самолетами малой дальности.
Другой проект фирмы «Камов» - Ка-90 - не имеет таких больших практических перспектив и фактически является экспериментальной работой. Представленная в 2008 году концепция может помочь винтокрылым машинам разогнаться не только до 450-500 километров в час, но и взять планку в 700-800 км/ч. Для этого предлагается создавать горизонтальную тягу турбореактивным двигателем, а также изменить конструкцию лопастей и втулки несущего винта. Согласно проекту Ка-90, две лопасти несущего винта должны иметь сравнительно большую ширину и малую толщину. Такой винтокрыл взлетает вертикально или с небольшим разбегом, далее при помощи турбореактивного двигателя разгоняется до скорости порядка 400 км/ч. После выхода на такую скорость винтокрыл останавливает несущий винт и фиксирует его в перпендикулярном к потоку положении. Теперь винт выполняет функции крыла. При дальнейшем разгоне специальный механизм во втулке несущего винта постепенно увеличивает стреловидность такого «крыла» до тех пор, пока лопасти винта не оказываются сложены вдоль фюзеляжа. Интересно, что в фантастическом фильме «6-й день» (2000 год, режиссер Р. Споттисвуд) фигурировали летательные аппараты именно с таким способом совмещения лучших черт самолета и вертолета. В то же время, Whispercraft из фильма не складывал лопасти полностью и осуществлял скоростной полет в конфигурации стреловидного «крыла». Перспективы Ка-90 до конца не ясны. Даже если работы над этим проектом продолжаются до сих пор, уже несколько лет не поступало никаких новых сведений. Возможно, слишком смелый и до определенного времени бесполезный проект попросту был заморожен, что называется, до лучших времен.
Одновременно с Ка-92 и Ка-90 МКЗ им. М.Л. Миля представил собственный проект, принадлежащий к тому же классу техники. Проект Ми-Х1 подразумевает создание многоцелевого винтокрыла со взлетной массой 10-12 тонн. Летательный аппарат, оснащенный двумя двигателями ВК-2500, должен перевозить до 25 пассажиров или до четырех тонн груза. Целью проекта является достижение крейсерской скорости полета не менее 450-470 километров в час. Максимальные показатели скорости, в свою очередь, должны превышать 500 км/ч. Проектная дальность полета - 1500 километров. Винтокрыл Ми-Х1 в значительной мере похож на Ка-92, однако имеет лишь один несущий винт. Главной сложностью проекта является обеспечение правильного обтекания лопастей несущего винта. Для решения этого вопроса в свое время начались исследования и конструкторские работы по поводу подавления срыва потока на отступающей лопасти. Продувки в аэродинамических трубах, теоретические расчеты и другие научные изыскания по проекту Ми-Х1 достаточно сложны, поэтому даже в 2008 году первый полет прототипа нового винтокрыла относили к 2014-15 годам.
https://topwar.ru/21222-proekty-letatelnyh-apparatov-tipa-vintokryl-chast-i.html
Два КБ Миля и Камова параллельно работающие над проектом скоростного вертолета, в июле 2008 года представили свои разработки Ми-Х1, Ка-90 и Ка-92. Ми-Х1 должен иметь крейсерскую скорость 475 км/час, потолок 3.5 км и практическую дальность 1550 км. Еще тогда Николай Павленко заявлял, что предстоит большая работа по проекту Ми-Х1, прежде всего нужно осуществить научно-исследовательские работы, затем отработать технические решения на летающих лабораториях и технологических демонстраторах и лишь затем приступить к изготовлению летных образцов.
Модель Ми-Х1
Первый опытный вертолет планировалось поднять в воздух не ранее 2015 года, но полет так и не состоялся, поскольку машина классической схемы, даже в теории не способна развивать заявленных крейсерских скоростей. На эту тему еще в 2012 году вышла статья экс-Генерального конструктора М.Н. Тищенко и руководителя кафедры вертолетостроения МАИ Б.М. Артамонова о проблемах повышения крейсерской скорости вертолета.
Вот три вывода, которые были размещены в статье и все они неутешительные:
- Даже с учетом, что в будущем конструктивные решения значительно улучшат аэродинамику машины, а мощностные характеристики движителей повысятся, то и тогда улучшения Кнв для вертолетных винтов не предвидится, а значит для классических схем вертолетов увеличение крейсерской скорости более 320 км/час нереально.
- Крейсерскую скорость можно увеличить незначительно, применяя пропульсивные двигатели.
- Крыло для вертолетов классической схемы с высоким качеством, большим чем у несущего винта несколько увеличит крейсерскую скорость, но ненамного, поскольку профильное сопротивление ненагруженного винта требует почти столько же мощности, сколько и нагруженный винт.
http://aviarf.ru/ocherednoy-promah-rossiyskoy-aviatsionnoy-promyishlenosti/
Подробнее на: http://avia.pro/bloq/ka-92-i-mi-h1-doqnat-i-pereqnat-sikorskoqo
Известен самолет вертикального взлета и посадки TriFan 600, принятый в качестве прототипа.
«Компания XTI Aircraft (Денвер, Колорадо) разместила на краудфандинговой площадке проект шестиместного пассажирского самолета с вертикальным взлетом TRIFAN-600, с целью собрать необходимые для его производства 50 миллионов долларов.
Разработал и запатентовал идею конвертоплана TriFan 600 Дэвид Броуди, бывший глава компании AVX Aircraft. Механизм TriFan 600 содержит пару газотурбинных двигателей, приводящих в движение три винта, один из которых будет задействован исключительно для взлета и посадки. Два винта, расположенные на передней части крыльев, будут поворотными, а третий винт, находящийся в хвостовой части конвертоплана, - неподвижным. Третий подъемный двигатель при этом закрывается. Набирать скорость после взлета TriFan 600 будет за счет плавного поворота передних винтов на 90°.
Для достижения крейсерской скорости 640 км/ч лайнеру достаточно всего 90 с. Дальность полета TRIFAN-600 от 1300 до 1900 км. Представители компании заверили, что при его разработке использовались современные отработанные технологии, что может гарантировать безаварийную эксплуатацию.
Концепт совмещает в себе решения, отработанные ранее на конвертопланах и истребителе F-35B.
Корпус TriFan 600 будет состоять из новейших композитных материалов, что существенно облегчит его вес, а за скорость будут отвечать два реактивных двигателя.»
Источник: http://www.techcult.ru/technics/2557-trifan-600
К недостаткам данного технического решения, принятого в качестве прототипа, следует отнести очень сложный механизм поворота силовых установок в воздухе при переходе от вертикального взлета к поступательному движению и наоборот, большое аэродинамическое сопротивление планера традиционной схемы вертикальному взлету, малая площадь обдува вентилятором крыла при поступательном движении, выключение из работы механизма третьего движителя при поступательном движении, который превращается в балласт на борту самолета. Кроме того, размеры аппарата усложняют взлет и посадку на ограниченные площадки, а хранение и обслуживание СВВП вызывает необходимость в ангаре больших размеров.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение тактико-технических характеристик с возможностью устройства высокоскоростного коммерческого летательного аппарата самолетного типа при сохранении вертикального взлета, посадки и зависания.
Технический результат в соответствии с поставленной задачей достигается за счет того, что в винтокрыле, содержащем фюзеляж, крыло, винт, двигатель и механизм изменения вектора тяги, крыло выполнено дельтовидным, с круглым отверстием под винт, лопасти которого, с изменяемым шагом, выполнены полыми с узкой щелью вдоль задней кромки под струйный (реактивный) закрылок, и связаны с двигателем газовой трансмиссией, рабочим телом такой трансмиссии служит воздух, отбираемый от компрессора, приводимого электромотором или воздушным турбореактивным двигателем, причем компрессор, кроме того, скомпонован с механизмом изменения вектора тяги в виде патрубков и заслонок, при этом, при переключении с вертикального взлета на поступательное движение, винт останавливают, или уменьшают обороты, и(или) фиксируют в стреловидном положении.
Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
На фиг. 1 - Общий вид;
На фиг. 2 - Вид сверху;
На фиг. 3 - Механизм изменения вектора тяги на режиме взлета;
На фиг. 4 - Механизм изменения вектора тяги на режиме поступательного движения.
На фиг. 5 - Разрез лопасти винта.
Заявляемый винтокрыл содержит фюзеляж 1, на котором, в верхней части прикреплены крыло 2, винт 3, двигатель 4, механизм изменения вектора тяги 5 и хвостовое оперение 6, причем крыло 2 выполнено дельтовидным с круглым отверстием под винт 3, лопасти 7(фиг. 5) которого, с изменяемым шагом, выполнены полыми с узкой щелью 8 вдоль задней кромки под струйный (реактивный) закрылок 9, и связаны с двигателем 4 газовой трансмиссией, рабочим телом такой трансмиссии служит воздух, отбираемый от компрессора 10, приводимого электромотором или воздушным турбореактивным двигателем 4, который, кроме того, скомпонован с механизмом изменения вектора тяги 5 в виде патрубков 11 и заслонок 12, при этом, при переключении с вертикального взлета на поступательное движение, винт 3 останавливают или уменьшают обороты, за счет уменьшения подачи воздуха в реактивный закрылок 9 и аэродинамического сопротивления.
Описанный пример конкретного варианта конструкции не исключает других возможных вариантов устройства в рамках заявляемой совокупности существенных конструктивных признаков).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В вертолетном режиме (см. фиг. 3) винтокрыл взлетает, садится и зависает в воздухе за счет подъемной силы винта 3, приводимого во вращение плоской струей сжатого воздуха (реактивным закрылком 9), вытекающей с большой скоростью из узкой щели 8, расположенной вдоль задней кромки полой лопасти винта 3. Лопасти винта 3 связаны с двигателем 4 газовой трансмиссией, рабочим телом такой трансмиссии служит воздух, отбираемый от компрессора 10, приводимого электромотором или воздушным турбореактивным двигателем 4.
Струйный (реактивный) закрылок - это плоская струя 9 (фиг 5) сжатых газов, вытекающих с большой скоростью из узкой щели 8, расположенной вдоль задней кромки крыла.
Струя затрудняет обтекание лопасти 7 снизу, в результате чего под лопастью повышается давление; в то же время за счет подсасывающего влияния струи скорость потока над лопастью увеличивается, а давление уменьшается, как и при отклонении обычного закрылка. Кроме того, за счет реакции вытекающих газов струйный закрылок создает дополнительную силу R, составляющая Y которой увеличивает подъемную силу лопасти, а составляющая Р является дополнительной силой для преодоления лобового сопротивления.
Теоретически энергетические методы механизации позволяют реализовать на взлетно-посадочных режимах коэффициент подъемной силы Су=10-15
Кроме того, подъемную силу создает крыло 2, за счет отсоса воздуха с ее верхней поверхности винтом 3.
Достигнув достаточных для перехода на горизонтальный полет высоты и прочих необходимых или возможных условий, осуществляют переходный («вертолетно-самолетный») эксплуатационный режим (см. фиг. 4) винтокрыла: открывают заслонки 12, механизма изменения вектора тяги 5. При этом уменьшается подача воздуха в лопасти винта 3 и двигатель переходит в реактивный режим. В полной мере включается в работу крыло 2 и останавливающийся винт 3 переходит в самолетный режим. При этом, дестабилизирующий реактивный момент в плоскости винта не образуется.
Маневрирование на всех режимах осуществляют с помощью хвостового оперения, обдуваемого на режиме взлета и посадки воздухом от реактивного закрылка 9, а в самолетном режиме -набегающим потоком воздуха и, частично, обдувом потоком воздуха от реактивного двигателя 4, а также механизацией крыла.
Посадку винтокрыла осуществляют в обратном порядке: расфиксируют винт 3 и закрывают заслонки 12, механизма изменения вектора тяги 5. При этом раскручивается винт 3 и уменьшается реактивная тяга.
На современном этапе развития подобной авиационной техники следует рассчитывать на максимальную скорость заявляемого аппарата в диапазоне 600-900 км/ч.
Такое техническое решение приводит к упрощению конструкции, повышению весовой эффективности (исключены тяжелый редуктор, хвостовой винт и передача к нему), а полет «на крыле» ведет к увеличению скорости, по крайней мере вдвое, экономичности в 3-4 раза, по сравнению с вертолетом, повышению надежности, безопасности и живучести аппарата.
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат.