ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
AIRBORNE VEHICLE

Изобретение относится к области авиации, к летательным аппаратам тяжелее воздуха.
Известен летательный аппарат, содержащий корпус, двигатель, первый и второй соосные роторы, предназначенные для вращения в противоположных направлениях, валы, на которых закреплены указанные роторы, и заборник рабочего тела, в центральной части которого установлены валы, связанные с указанным двигателем. Роторы выполнены сферообразными и снабжены лопатками, которые закреплены на внутренней поверхности указанных роторов между внешних окружностей указанных роторов и заборником рабочего тела.
Недостатком данного технического решения является то, что лопатки роторов увеличивают вес Л.а. и не обеспечивают равномерного обтекания нижних и верхних сферических поверхностей роторов потоками воздуха, что существенно уменьшает подъемную силу Л.а. Это решение принято за прототип.
Патент РФ 2148530 (51) 7 В64С 27/10
Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков прототипа и создания летательного аппарата, использующего более совершенный принцип создания подъемной силы, чем те, что известны из уровня техники.
2
2
Техническим результатом от использования изобретения является то, что конструкция ротора Л.а., направляющего аппарата, верхнего и нижнего обтекателя испытывает силы - действующие на Л.а. в полете - только на растяжение, потому ротор и сам Л.а., изготовленный из сверхпрочных на разрыв пленок, имеет форму диска и крайне малый вес. Взлетный вес, например, БПЛА, распределенный на поверхности мембран, образующих подъемную силу, ничтожно мал и может составлять несколько сот грамм на 1 м. Находящиеся между несколькими вращающимися, но неподвижными относительно друг друга поверхностями мембран воздушные слои могут испытывать сопротивление только ускорению собственной массы. А раз эта масса мала, то и большой мощности для вращения ротора не требуется. Зато огромная величина центробежной силы от такого вращения создает достаточную скорость воздушного потока и разницу атмосферного давления между верхними и нижними поверхностями мембран (общей площадью в несколько десятков м), чтобы практически невесомому БПЛА подняться на условную высоту, разделяющую атмосферу и космос, используя для этого лишь солнечную батарею и аккумулятор. Таким образом, Л.а. может находиться в воздухе неограниченно долго - используя солнечную батарею и имея аккумулятор для работы в ночное время. Эти свойства Л.а., дополненные роторным двигателем Карфидова, позволяют использовать Л.а. в качестве беспилотного боевого робота, пилотируемого десантного или беспилотного, наблюдательного, разведывательного или спасательного средства, Л.а. может также использоваться в качестве индивидуального летательного аппарата и занимать объем обычного рюкзака, с приводом в рабочее положение, - в пределах нескольких минут. В беспилотном варианте вероятность обнаружения Л.а. радиолокационными станциями не велика, т.к. толщина пленки намного меньше длины волны радара и она не электропроводна. А ламинарные потоки воздуха с разным атмосферным давлением на верхние и нижние поверхности мембран могут создавать подъемную силу совершенно бесшумно.
Указанный технический результат достигается тем, что ротор Л.а. содержит расположенные одна над другой мембраны, сферические поверхности которых разделены воздушными слоями, сообщающими впускное окно рабочего тела, с направляющим аппаратом, примыкающим к ротору в его периферийной части. Тем, что направляющий аппарат содержит закрепленный на его внешней окружности пневматический кольцевой бандаж. Толщина воздушных слоев между верхними и нижними поверхностями, неподвижных относительно друг друга мембран, в приемнике рабочего тела существенно превышает толщину слоев в периферийной части ротора, примыкающей к направляющему аппарату. Технический результат достигается также тем, что пленочная солнечная батарея выполнена в виде обтекателя.
Заявленный Л.а. отличается от прототипа тем, что подъемная сила образуется за счет преодоления сил сцепления молекул газа, в пограничных слоях, на сферических поверхностях мембран, центробежной силой, а также ускорением сопутствующих слоев воздуха указанными пограничными слоями. Л.а. отличается от прототипа также тем, что изготовленный из сверхпрочных на разрыв пленок имеет форму диска и крайне малый по сравнению с прототипом вес. Геометрическая форма Л.а. и всех его элементов поддерживается центробежной силой, воздушными потоками, бандажами и стропами. Выполненные в роторе мембраны, с верхними и нижними сферическими поверхностями, разделенные бандажами и воздушными слоями, причем последние расположены между приемником рабочего тела и направляющим аппаратом. Что позволяет во время вращения ротора использовать трение находящегося между мембранами воздуха о поверхности мембран для его закрутки и образования центробежной силы, при помощи бандажей устанавливать толщину воздушных слоев между сферическими поверхностями мембран, передавать крутящий момент от двигателя к мембранам, при помощи бандажей и строп обеспечивать подъемной силой Л.а. К тому же кинетическую энергию высокоскоростных слоев воздуха позволяет преобразовать в дополнительную подъемную силу и компенсировать реактивный момент статора двигателя. Закрепленный на внешней окружности направляющего аппарата пневматический кольцевой бандаж, позволяет нагнетанием воздуха придать бандажу форму окружности, растянуть обтекатели, стропы и армированные сверхпрочными нитями статорные лопатки, ротор Л.а. при этом также расправляется под действием упругости мембран и также приводится в рабочее положение. Постоянство геометрической формы мембран поддерживается нагрузкой центробежной силы, воздушных потоков, подъемной силой мембран и пропущенными сквозь бандажи стропами. Что позволяет точно совместить воздушные потоки ротора с направляющим аппаратом и не допускать колебаний мембран в осевом направлении при изменении подъемной силы. Лопатки в направляющем аппарате выполнены из гибкой прочной пленки с опорной армирующей нитью в их передней кромке. Это позволяет изготовить статорную часть, как и весь Л.а., из гибкого и прочного материала, удобного для транспортирования и хранения в сложенном в чехол виде.
На фиг.1 изображен поперечный разрез летательного аппарата.
Сферолет содержит: ротор 1 с закрепленными на его валу 2 мембранами 3, последние разделены воздушными слоями 4, бандажами 5 и 6. Закреплены мембраны на неподвижном валу ротора, в верхней его части, стропами 7 через подшипник 8, а внизу - на дне 9 нижней мембраны через подшипник 10. Нижнюю часть бандажей 6 связывает замкнутый в кольцо трос 11. На верхнем обтекателе 12, в центральной части ротора, расположено впускное окно рабочего тела 13. Статорные лопатки 14 направляющего аппарата 15., своей внутренней окружностью совмещены с воздушными слоями 4, а наружная окружность содержит пневматический бандаж 16. Верхняя поверхность обтекателя 12 снабжена пленочной солнечной батареей 17. Центр тяжести 18 Л.а. расположен ниже несущих поверхностей мембран и вывешен на шарнирном подвесе 19, в виде аккумуляторных батарей 20, отдела полезной нагрузки 21 и отдела управления 22 БПЛА. Отдел управления, в свою очередь, содержит устройство 23, управляющее наклоном оси вала 2 ротора относительно оси центра тяжести 18 с помощью шарнира 19 и марионеточного управления тремя тросами 24. В нижней части впускного окна рабочего тела 13 под дном 9 расположен электродвигатель 25. В нерабочем положении ротор опирается кольцевым тросом 11 на ролики 26, закрепленные на нижнем обтекателе 27.
Сферолет действует следующим образом: летательный аппарат в сложенном виде извлекается из чехла. Затем при помощи насоса нагнетается воздух в пневматический бандаж 16. Направляющий аппарат 15, приобретая форму окружности, напрягает верхний обтекатель 12 и нижний 27, при этом ротор 1 под действием упругости мембран 3 расправляется и кольцевым тросом 11, становится на ролики 26, приобретает рабочую форму. После чего при пуске электродвигателя 25, вращении ротора 1 и действия на него центробежной силы кольцевой трос 11 снимается с роликов 26, а воздух, находящийся в слоях 4, между близко расположенных одна к другой поверхностями мембран 3, разделенных бандажами 5 и 6, приходит в движение. С увеличением числа оборотов, когда центробежная сила начинает превышать силу сцепления молекул газа в пограничных слоях, молекулы срываются и начинают ускоренное движение, отрываясь от верхних сферических поверхностей мембран 3, образуя на них пониженное атмосферное давление и налетая на нижние поверхности мембран образуя повышенное атмосферное давление на этих поверхностях. Созданная таким образом подъемная сила поднимает Л.а. в воздух. В зависимости от направления полета устройство 23 при помощи тросов 24 отклоняют ось вала 2 относительно центра тяжести 18 и Л.а. направляется в выбранном направлении. Для приземления все действия выполняются в обратном порядке.
Подъемная сила Л.а. образуется в многоярусном роторе. Каждый ярус - это мембрана со сферической поверхностью, изготовленная из тонкого, гибкого, прочного на разрыв материала, например армированной сверхпрочными волокнами синтетической пленки с большой общей площадью поверхности мембран. Каждая мембрана - часть поверхности сферы с большим радиусом и с окном впуска рабочего тела в центральной части ротора. Близко расположенные одна над другой сферические поверхности образуют межмембранные воздушные слои. Воздушные слои в периферийной части ротора примыкают к направляющему аппарату - статорным лопаткам, на которые направлен высокоскоростной поток, образуемый пограничными слоями на сферических поверхностях мембран (сопротивлением воздуха) и действием центробежной силы. Молекулы газа в воздушном слое между мембранами образуют на них верхний и нижний пограничные слои, в которых частицы газа сцеплены с поверхностями мембран и между собой. При ускоряющемся вращении ротора сцепление молекул заставляет их вращаться вместе с ротором до тех пор, пока величина центробежной силы не начинает превышать силу сцепления молекул в пограничных слоях. Тогда поток воздуха в межмембранных воздушных слоях начинает двигаться с ускорением. При этом оба пограничных слоя сжимаются на нижних - вогнутых поверхностях мембран, отклоняющих воздушный поток вниз, и разрежаются - на верхних, отрываясь от них центробежной силой, в сумме воздействия образуя подъемную силу. Подъемная сила каждой мембраны образует общую подъемную силу ротора. Кинетическая энергия воздушного потока в направляющем аппарате преобразуется в дополнительную подъемную силу и компенсацию реактивного момента статора двигателя. А так как на ротор Л.а. в воздухе действуют в основном только силы растяжения, то изготовлен он из прочной на разрыв пленки. Таким образом, решается задача создания Л.а., сочетающего в себе хорошее аэродинамическое качество за счет формы диска, большую площадь опоры воздушного потока на мембраны, (аналог крыла) и соответственно большую грузоподъемность в сочетании с беспрецедентно малым весом самого Л.а., вертикальный взлет и посадку, высокий потолок и соответственно высокую скорость полета. Использование Л.а. в бытовых условиях вместо автомобиля или мотоцикла позволит экономить его владельцу по нескольку часов ежедневно свободного времени, затрачиваемого обычно на транспорт, в то же время откроется транспортная доступность туда, куда по дороге не попадешь.