ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ С ВОЗДУШНЫМИ ВИНТАМИ НА ПОВОРОТНЫХ ЗАКРЫЛКАХ КРЫЛА
VERTICAL TAKE-OFF AND LANDING AIRCRAFT WITH PROPELLERS ON ROTARY WING FLAPS

Область техники
Изобретение относится к авиационной технике, конкретно к комбинированным летательным аппаратам со свойствами самолета и вертолета, а именно к мультикоптерам, имеющим крылья с сегментами (закрылками), способными поворачиваться относительно задней кромки крыла, на которые установлены толкающие воздушные винты (пропеллеры), создающие подъемную силу при вращении в горизонтальной плоскости в режиме взлета/посадки, и силу тяги при вращении в вертикальной плоскости при круизном полете. Отличительной особенностью предлагаемых мультикоптеров является расположение центра вращения пропеллеров в непосредственной близости от задней кромки крыла, вне зоны турбулентного спутного следа, формируемого за крылом.
Техническим результатом изобретения является улучшение аэродинамических качеств системы «пропеллер-крыло» ЛА.
Предшествующий уровень техники
Основные преимущества мультикоптеров состоят в возможности вертикального взлета/посадки, зависания в точке и высокой маневренности, недостатки - в высоком расходе электроэнергии при ограниченной энергоемкости аккумуляторных батарей и малой скорости при горизонтальном полете, что ограничивает продолжительность и дальность полета, соответственно.
С целью устранения указанных выше недостатков мультикоптеров активно разрабатываются различные варианты гибридных летательных аппаратов (ЛА) вертикального взлета и посадки, имеющих в своей конструкции как поворачиваемые воздушные винты, создающие подъемную силу или силу тяги в зависимости от положения плоскости вращения винтов, так и крылья, обеспечивающие дополнительную подъемную силу в режиме круизного полета.
Ниже представлены аналоги заявляемой конструкции ЛА, отражающие известные в настоящее время концепции гибридных мультикоптеров, предназначенных для полетов с бóльшими скоростями и на большие расстояния.
1. Поворотные воздушные винты вне плоскости крыла.
В патенте US 10474167 заявлена конструкция ЛА вертикального взлета и посадки с воздушными винтами в кольцах, поворачивающимися перед крылом (Фиг. 1).
Винты в кольцах расположены так, что при вращении винтов в горизонтальной плоскости при взлете/посадке или висении, создаваемые ими воздушные потоки не пересекают поверхности крыла. Недостатком конструкции является неизбежное создание турбулентности воздушного потока перед крылом при горизонтальном полете, что снижает летные качества ЛА.
Также известна конструкция ЛА вертикального взлета и посадки US 10773802 с горизонтально фиксированными крыльями и поворотными воздушными винтами на штангах (Фиг. 2). Штанги имеют длины, достаточные для предотвращения перекрытия плоскостями крыльев воздушных потоков, создаваемых пропеллерами. Пропеллеры, находящиеся перед крыльями, создают при горизонтальном полете меньше турбулентностей, чем винты в кольцах в предыдущей конструкции, однако, указанный выше недостаток не устраняется полностью. Кроме того, вращение воздушных винтов на штангах вызывает воздействие на фюзеляж моментов импульса и вибраций, которые тем выше, чем длиннее штанги.
2. Поворотное арочное крыло с воздушными винтами в арках.
Указанный выше недостаток конструкций, в которых винты перед крылом и винты на штангах создают турбулентности воздушного потока и вибрации, отсутствует в крыльях, так называемого, арочного типа, показанных на Фиг. 3. В патенте US 2018/0086447 предложено устанавливать воздушные винты в арки крыльев. Плоскости вращения пропеллеров не поворачиваются относительно крыла, а для перехода из режима вертикального взлета/посадки в режим круизного полета предложено поворачивать крылья.
Недостатком конструкции является снижение подъемной силы крыла за счет уменьшения его плоской части, а также усложнение конструкции ЛА и повышенные энергетические затраты на поворот крыльев.
3. Поворотные воздушные винты на боковой кромке крыла.
В качестве примера конструкции ЛА с поворотными воздушными винтами на концах крыла можно привести патент US 10850833 (Фиг. 4). При вращении несущих винтов в горизонтальных плоскостях, воздушные потоки от винтов частично пересекаются плоскостями крыльев. Однако, диаметры пропеллеров выбирают достаточно большими, так, чтобы площадь круга их вращения была больше площади пересечения с крылом.
Известны подобные конструкции ЛА с поворотными винтами на концах крыльев Joby Aero (US 2020/0333805, US 2020/0317328), Bell Helicopter (US 10414483) и других компаний.
Общим недостатком таких конструкций является снижение подъемной силы пропеллеров вследствие частичного перекрытия крылом воздушного потока, создаваемого при взлете/посадке и зависании.
4. Поворотное крыло с воздушными винтами на передней кромке крыла.
Компанией A^3 Airbus запатентованы конструкции ЛА с поворачиваемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены воздушные винты (US 2019/0291862, US 2019/02918636, US 2020/0164976).
Базовая конструкция таких ЛА показана на Фиг. 5. Пропеллеры в кольцах расположены на крыльях парами и вращаются в противоположные стороны для взаимной компенсации моментов импульса и облегчения поворота крыла.
Недостатком конструкций является то, что вращающиеся перед крылом винты создают турбулентности воздушного потока, что приводит к снижению эффективности и пропеллеров, и крыла, дополнительным энергетическим потерям, повышению шума и вибрации, в целом, снижает аэродинамические качества ЛА.
В патенте US 10562620 предложена конструкция ЛА вертикального взлета и посадки с отклоняемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены винты, находящиеся в аэродинамических кольцах (Фиг. 6). Кольца повышают эффективность винтов и защищают их от случайных механических повреждений, но и не устраняют указанные выше недостатки.
Конструкция ЛА с поворачиваемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены воздушные винты, была запатентована компанией Kitty Hawk (US 10336448). Эта конструкция отличается от представленной выше конструкций ЛА компании А^3 Airbus тем, что винты на передней кромке крыла складываются при круизном полете. Раскрытыми и тянущими остаются винты только на концах крыла (Фиг. 7).
Подъемную силу при взлете/посадке и висении создают все тянущие винты, а тягу в круизном полете - только винты, находящиеся на концах крыльев. Остальные винты, находящиеся на передней кромке крыла, в режиме круизного полета складываются, чтобы не создавать турбулентных потоков перед крылом.
Это частично устраняет отмеченные выше недостатки ЛА с винтами на передней кромке крыла. Сложенные в круизе винты не создают турбулентностей, вибрации и шума, но и не создают тяги. Кроме того, сохраняются недостатки, присущие ЛА с поворотными воздушными винтами на боковой кромке крыла, отмеченные в предыдущем разделе.
5. Неподвижное крыло с поворотными воздушные винтами на задней кромке крыла.
Альтернативным решением является расположение поворотных винтов за крылом. Известен патент US 6732972, в котором предложено размещать поворачиваемые пропеллеры позади крыла. При этом, крылья ЛА являются жестко закрепленными к фюзеляжу, а вертикальный взлет/посадка или круизный полет осуществляется за счет поворота пропеллеров для вращения в горизонтальной или вертикальной плоскости, при взлете/посадки и при круизном полете, соответственно. Общий вид такого ЛА показан на Фиг. 8а.
Отличительной особенностью предложенной конструкции является то, что для каждого поворотного пропеллера центр вращения расположен в плоскости крыла, а в крыле вырезаны сегменты для обеспечения свободного вращения винта в горизонтальной плоскости, как показано на Фиг. 8b, с. Согласно патенту US 6732972, вырезанный сегмент должен быть не больше, а предпочтительнее меньше, половины круга, ометаемого пропеллером. При этом, центры вращения пропеллеров смещены от кромки крыла так, чтобы при горизонтальном вращении пропеллер не пересекался с крылом.
Положительным эффектом является то, что в предложенной конструкции крыло не создает помех пропеллеру при взлете/посадке и висении. В то же время вырезанные из крыла сегменты уменьшают площадь поверхности, создающей подъемную силу. Кроме того, в патенте не проанализировано влияние вырезов на формирование вихрей и турбулентности воздушного потока за кромкой крыла при круизном полете. Этот патент является близким аналогом заявляемого изобретения.
Известна также конструкция ЛА компании Kiity Hawk (US 10144503, US 10981648) с крыльями, неподвижно прикрепленными к фюзеляжу, и поворотными воздушными винтами, закрепленными либо на боковых кромках крыла (переднее крыло на Фиг. 9), либо на задней кромке крыла (основное крыло на Фиг. 9). При этом, к задней кромке крыла пропеллеры крепятся через пилоны такой длины, что при взлете/посадке плоскость крыла не пересекается пропеллерами, повернутыми для вращения в горизонтальной плоскости.
При расположении поворачиваемых винтов позади крыла устраняются недостатки, присущие ЛА с винтами на передней кромке, а именно, создание винтами турбулентностей перед крылом в круизном полете. Однако пропеллеры, находящиеся позади крыла, сами оказываются в зоне турбулентности, так называемой, области спутного следа, возникающей в результате срыва с кромки крыла воздушного потока, обтекающего крыло.
Патент U10981648 можно рассматривать в качестве прототипа заявляемому изобретению.
Целью изобретения является нахождение конструктивного решения, при котором в системе «пропеллер-крыло» минимизировано взаимное негативное влияния воздушного винта и крыла, а сама система достигает предельно высоких аэродинамических параметров.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Мультикоптер с поворачиваемыми перед неподвижным крылом винтами в аэродинамических кольцах. Положение воздушных винтов: а) при круизном полете, b) при взлете/посадке и висении. (Prior Art, US 10474267, 12.11.2019).
Фиг. 2. Мультикоптер с поворачиваемыми воздушными винтами на кронштейнах спереди и сзади неподвижного крыла. (Prior Art, US 773802, 15.09.2020).
Фиг. 3. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями арочного типа и воздушными пропеллерами, встроенными в арочные проемы. (Prior Art, US 2018/0086447, 29.05.2018).
Фиг. 4. Мультикоптер с неподвижными крыльями и поворачивающимися воздушными винтами на концах крыльев. Положение воздушных винтов: а) при круизном полете, b) при взлете/посадке. (Prior Art, US 10850833, 12.08.2014).
Фиг. 5. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами. ЛА показан в круизном режиме. (Prior Art, US 2020/0164976, 28.05.2020).
Фиг. 6. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами в аэродинамических кольцах. ЛА показан в круизном режиме. (Prior Art, US 10562620, 18.02.2020).
Фиг. 7. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами, складывающимися в круизном полете. ЛА показан в режимах: а) взлета/посадки, b) круизного полета. (Prior Art, US 10336448, 07.06.2019).
Фиг. 8. ЛА вертикального взлета/посадки с неподвижными крыльями, в которых вырезаны сегменты под установленные позади крыла поворачивающиеся воздушные винты. (Prior Art, US6732972, 11.05.2004).
Фиг.9. ЛА вертикального взлета/посадки с неподвижными крыльями и поворачивающимися воздушными винтами, установленными на пилонах с задней стороны крыла. (Prior Art, US 10981648, 20.04.2021 - прототип).
Фиг. 10. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при взлете в проекциях: а) сверху, b) сбоку, с) сзади. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при круизном полете в проекциях: d) сверху, е) сбоку, f) сзади.
Фиг. 11. Взаимное положение крыла, закрылка и пары противоположно вращающихся пропеллеров: в проекциях: а) при взлете (вид сверху), b) в круизном полете (вид сверху).
Фиг. 12. Дизайн мультикоптера с поворотными закрылками и воздушными винтами, установленными на задней кромке крыльев. Вид в изометрической проекции: а) в режимах взлета/посадки и висения, b) в режиме круизного полета.
Фиг. 13. Дизайн мультикоптера с поворотными частями крыльев, на которых установлены воздушные винты в аэродинамических кольцах. Вид в изометрической проекции: а) в режимах взлета/посадки и висения, b) в режиме круизного полета.
Фиг. 14. Дизайн мультикоптера с поворотными закрылками и воздушными винтами, установленными на задней кромке крыльев на высоте половины радиуса винта над закрылком. Вид в режимах взлета/посадки и висения: а) изометрическая проекция, b) вид сбоку. Вид в режиме круизного полета: с) изометрическая проекция, d) вид сбоку.
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей изобретения является создание новой конструкции гибридного ЛА - мультикоптера с повышенными летными качествами относительно известных аналогов и прототипа.
Решение технической задачи состоит в создании мультикоптера, имеющего жестко прикрепленные к фюзеляжу крылья с закрылками (сегментами), поворачиваемыми по оси задней кромки крыла, на которых расположены толкающие пропеллеры.
Технический результат изобретения заключается в повышении летных характеристик ЛА за счет снижения турбулентности воздушных потоков в области системы «пропеллер-крыло» и минимизации взаимного отрицательного влияния крыльев и воздушных винтов.
С одной стороны, известны различные варианты гибридных ЛА вертикального взлете и посадки, в которых поворачиваются воздушные винты или крылья с установленными на них винтами, причем винты устанавливаются на передних кромках или на концах крыльев. Примерами таких ЛА являются приведенные выше аналоги.
С другой стороны, известны различные самолеты с расположенными сзади толкающими винтами, от военного истребителя ХР-56, до современного сверхэкономного экспериментального самолета Celera-500.
Известен, выбранный в качестве прототипа, ЛА вертикального взлета и посадки Kitty Hawk, с фиксированными крыльями и поворотными винтами, установленными на пилонах с задней стороны крыла на расстоянии, не допускающем перекрытия крылом воздушного потока от вращения винта при взлете/посадке и висении, то есть на расстоянии не менее радиуса пропеллера.
Однако, нам не известны гибридные ЛА вертикального взлета и посадки с сегментами крыльев - закрылками, поворачиваемыми по оси задней кромки крыла, на которых установлены толкающие воздушные винты.
В заявляемом изобретении предлагается устранить воздушный зазор между задней кромкой крыла и пропеллером, поместив пропеллер, как только возможно, близко к крылу. Современные электродвигатели имеют толщину в несколько сантиметров и позволяют устанавливать винтомоторные группы на заднюю кромку крыла без необходимости изменения профиля крыла.
На Фиг. 10 схематически показаны проекции фрагмента крыла (1) с полукруглым закрылком (2), на котором жестко установлена винтомоторная группа с пропеллером (3), вращающимся в плоскости, нормальной к закрылку. Закрылок в исходном положении опущен в горизонтальное положение и составляет с крылом единое аэродинамическое тело.
При взлете ЛА, закрылок (2) поднимается в вертикальное положение и открывает вырез в крыле, обеспечивающий возможность горизонтального вращения пропеллера (3) для создания подъемной силы.
Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при взлете показано на Фиг. 10 а, b, и с, в проекциях сверху, сбоку и сзади, соответственно.
При круизном полете ЛА, закрылок (3) опускается в исходное положение, восстанавливая целостность крыла, как аэродинамического тела, а пропеллер вращается в вертикальной плоскости, создавая тягу. При этом, пропеллер является толкающим. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при круизном полете показано на Фиг. 10 d, е, и f, в проекциях сверху, сбоку и сзади, соответственно.
Представленный выше вариант не является единственно возможным. На Фиг. 11 показан фрагмент крыла (1) с закрылком (2), на котором размещены две винтомоторные группы с пропеллерами (3), вращающимися в противоположных направлениях. Противоположно направленное вращение двух пропеллеров компенсирует момент импульса, что облегчает поворот закрылка и снижает на него механическое воздействие винтомоторных групп.
Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллеров показаны на Фиг. 11 в проекциях сверху а и b при взлете и круизном полете, соответственно.
Поворачиваемый закрылок может иметь форму, показанную на Фиг. 11 или иную целесообразную форму, включая всю заднюю часть крыла, шириной, достаточной для вращения при взлете пропеллера с центром на задней кромке.
На Фиг. 12-Фиг. 14 приведены проекции ЛА с поворотными закрылками, на которых установлены пропеллеры, составляющие с крылом единые системы «пропеллер-крыло», предложенные выше.
ЛА имеет два крыла - нижнее переднее основное крыло, состоящее из правого и левого полу крыльев, и заднее верхнее сплошное крыло. В предлагаемой конструкции ЛА крылья жестко закреплены относительно корпуса, а закрылки могут поворачиваться из вертикального положения при взлете в горизонтальное положение при переходе в круизный полет.
Переднее крыло расположено позади кабины ЛА, что обеспечивает свободный подход к двери кабины и удобство посадки/выхода из ЛА, повышает безопасность пассажиров за счет удаленного расположения вращающихся винтов, а также снижает шум в кабине при круизном полете. Расположение крыльев и винтов не ограничивает обзор из кабины и не мешает установке наблюдательного и иного оборудования в передней части ЛА.
Высота расположения нижнего крыла ЛА, стоящего на взлетной площадке, достаточна для сохранности лопастей пропеллеров при повороте крыла. Риски разрушения толкающего винта при соприкосновении с поверхностью взлетной полосы, присущие самолетам, требующим разбега для взлета, значительно снижены для ЛА вертикального взлета и посадки.
Соседние воздушные винты вращаются в противоположные стороны для компенсации моментов импульса и снижения усилий для поворота крыла, на котором они установлены. Профили лопастей соседних пропеллеров различаются таким образом, что обеспечивают одинаковое направление воздушных потоков при вращении в противоположные стороны. Винты являются толкающими и создают подъемную силу при взлете/посадке и силу тяги при круизном полете.
Воздушные винты вращаются электромоторами, составляющими с ними винтомоторные группы. Электроэнергия для питания моторов ВМГ обеспечивается аккумуляторными батареями, гибридными электрическими генераторами с двигателями внутреннего сгорания, электрохимическими генераторами на основе водородных топливных элементов, отдельно или в какой-либо комбинации.
Полет ЛА осуществляется по программе, выполняемой полетным контроллером. Маневрирование ЛА обеспечивается управлением скоростями вращения пропеллеров в соответствии с командами, подаваемыми полетным контроллером на контроллер каждой ВМГ.
На Фиг. 12 показан ЛА с поворотными закрылками на переднем основном крыле для каждого одиночного пропеллера. Представлены изометрические проекции ЛА: (а) в режиме взлета и (b) в режиме круизного полета.
На Фиг. 13 показан ЛА с поворотными закрылками на переднем основном крыле для пар пропеллеров, вращающихся в противоположные стороны. ЛА представлен в изометрических проекциях: (а) в режиме взлета и (b) в режиме круизного полета. Понятно, что пропеллеры могут быть использованы и без аэродинамических колец.
Отличительной особенностью системы «пропеллер-крыло», изображенной на Фиг. 13, является то, что пропеллеры заключены в кольца, защищающие пропеллеры и повышающие аэродинамические качества системы «пропеллер-крыло». Кольца жестко закреплены на закрылках и составляют с ними единую конструкцию.
Преимущества от использования аэродинамических колец состоят: 1) в защите пропеллеров на нижнем крыле от разрушения при случайном соприкосновении с грунтом или попадании камней при взлете/посадке, 2) в повышении подъемной силы и тяги при правильно рассчитанном профиле кольца.
На Фиг. 14 представлен ЛА с положением центров вращения пропеллеров на полрадиуса выше крыла. При положении центра выше крыла пропеллер обеспечивает повышенную скорость воздушного потока над крылом, препятствует отрыву от крыла пограничного слоя и образованию возвратного течения и вихрей над верхней поверхностью крыла.