СКОРОСТНОЙ ВИНТОКРЫЛ
HIGH-SPEED ROTARY-WING AIRCRAFT

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки, и предназначено для винтокрылов, имеющих два несущих винта, расположенных по поперечной схеме.
Известны 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.
Наиболее близким аналогом, прототипом настоящего изобретения является многовинтовой вертолет (RU 2351505 С2, 17.05.2007), содержащий фюзеляж с хвостовой балкой и килем, две консоли крыла, два несущих винта, расположенных на консолях крыла и установленных с перекрытием, силовую установку, состоящую из двух газотурбинных двигателей и трансмиссии, шасси, два дополнительных винта, создающих пропульсивную силу и расположенных на консолях крыла, причем плоскость вращения несущих винтов пересекает плоскость вращения дополнительных винтов.
Недостатком этой системы расположения винтов является невозможность независимо регулировать частоту вращения несущих и дополнительных винтов вследствие их синхронизации для исключения соударений лопастей. Это снижает эффективность вертолета как в режиме висения, когда частота вращения дополнительного винта должна быть близкой к нулю, а частота вращения несущего винта максимальной, так и в режиме скоростного полета, когда частота вращения дополнительного винта должна быть максимальной, а частота вращения несущего винта уменьшенной. Кроме того, такое расположение несущих и дополнительных винтов увеличивает уровень шума и вибрации, вследствие их взаимного влияния.
Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции скоростного винтокрыла с повышенной транспортной и (или) боевой эффективностью, пониженным уровнем вибрации и шума, и с повышенной безопасностью полета.
Поставленная задача решена благодаря тому, что в скоростном винтокрыле, содержащем фюзеляж с хвостовой балкой и килем, две консоли крыла, два несущих винта, расположенных на консолях крыла и установленных с перекрытием, силовую установку, состоящую из двух газотурбинных двигателей и трансмиссии, шасси, а также средства, создающие дополнительную пропульсивную силу - в соответствии с заявляемым изобретением - 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, при этом несущие винты выполнены жесткими.
В предложенном техническом решении для обеспечения скоростного полета винтокрыла (в отличие от аналогов) вместо двух тяговых винтов, создающих пропульсивную силу и расположенных на консолях крыла, установлен один тяговый винт, расположенный на вертикальном киле. Такое размещение тягового винта позволяет обеспечить независимую работу двух несущих винтов и дополнительного тягового пропульсивного винта. Воздушные потоки, создаваемые винтами, не взаимодействуют, что приводит к понижению шума и вибрации конструкции. С другой стороны, (в отличие от прототипа) частота вращения тягового винта, в некоторых режимах полета, не зависит от частоты вращения несущих винтов, что позволяет значительно увеличить скорость полета путем уменьшения частоты вращения несущих винтов, с целью уменьшить срыв потока на наступающей лопасти, и увеличить частоту вращения тягового винта, для увеличения тяги.
Благодаря тому, что ось тягового винта расположена в плоскости горизонтального оперения, изобретение позволяет повысить аэродинамическую эффективность оперения в полете с малой горизонтальной скоростью. Высокое расположение тягового пропульсивного винта на вертикальном киле обеспечивает повышенную безопасность полета винтокрыла при аварийной посадке.
Выполнение несущих винтов жесткими, с жесткими лопастями и без горизонтальных шарниров, позволяет применить к скоростному винтокрылу концепцию усовершенствованной лопасти несущего винта ABC (Advancing Blade Concept, ). Жесткие несущие винты располагаются с максимальным перекрытием, вращаются по направлению к фюзеляжу, и основную подъемную силу создают наступающие лопасти.
Перечисленные особенности конструкции приводят к значительному уменьшению лобового сопротивления винтокрыла, уменьшению габаритов, веса и вредного сопротивления тягового винта, уменьшают нагрузку на консоли крыла.
Силовая установка содержит два газотурбинных двигателя, встроенных (в отличие от прототипа) в корневую часть консолей крыла и соединенных через элементы трансмиссии: концевые редукторы, трансмиссионные валы и синхронизирующий редуктор - с несущими винтами, и далее: 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.
Расположение газотурбинных двигателей в корневой части консолей крыла позволяет, с одной стороны, повысить безопасность пассажиров и экипажа при аварийной посадке - двигатели не разрушают фюзеляж; с другой стороны - улучшить путевую устойчивость и управляемость винтокрыла. Для синхронизации вращения несущих винтов используются трансмиссионные валы и синхронизирующий редуктор. Наличие в трансмиссии промежуточного редуктора, соединенного с муфтой сцепления-расцепления с электромагнитным управлением, позволяет, по команде экипажа, отключить тяговый винт от силовой установки в режиме висения для экономии топлива или при отказе тягового винта, повышая тем самым безопасность полета.
Силовая установка может содержать третий газотурбинный двигатель, который установлен в хвостовой балке и связан с промежуточным редуктором через вторую муфту сцепления-расцепления с возможностью передачи момента вращения от третьего газотурбинного двигателя либо тяговому винту, либо несущим винтам, либо одновременно несущим винтам и тяговому винту.
При отказе одного или двух газотурбинных двигателей, находящихся в корневой части консолей крыла, имеется возможность использовать третий газотурбинный двигатель для привода двух несущих винтов через промежуточный редуктор, что повышает безопасность полета. Наличие третьего газотурбинного двигателя значительно повышает транспортную и (или) боевую эффективность скоростного винтокрыла за счет повышения энерговооруженности.
Шасси предназначены для обеспечения взлета и посадки с пробегом и могут при скоростном полете убираться внутрь фюзеляжа.
Конструкция скоростного винтокрыла поясняется рисунками, на которых изображено:
Фиг.1 - скоростной винтокрыл с силовой установкой с двумя газотурбинными двигателями, вид сбоку;
Фиг.2 - скоростной винтокрыл, вид сверху;
Фиг.3 - скоростной винтокрыл с силовой установкой с тремя газотурбинными двигателями.
Скоростной винтокрыл включает фюзеляж 1 (см. Фиг.1 и Фиг.2) с крылом, содержащим правую и левую консоли 2, с хвостовой балкой 3, снабженной килем 4, а также два несущих винта 5, выполненных жесткими и расположенных на консолях 2 крыла, и тяговый винт 6, установленный спереди на киле 4. Ось тягового винта 6 расположена в плоскости горизонтального оперения 7 киля 4. Киль 4 имеет руль направления (на рисунке не показан). Горизонтальное оперение 7 имеет руль высоты 8. Несущие винты 5 имеют жесткие лопасти 9 без горизонтальных шарниров и расположены с перекрытием.
Силовая установка винтокрыла содержит два газотурбинных двигателя 10, встроенных в корневую часть консолей 2 крыла и соединенных с несущими винтами 5 через элементы трансмиссии: концевые редукторы 11 и 12, трансмиссионные валы 13 и 14 и синхронизирующий редуктор 15, и далее: через синхронизирующий редуктор 15, хвостовой трансмиссионный вал 16, муфту сцепления-расцепления 17, промежуточный редуктор 18, трансмиссионный вал 19 и концевой редуктор 20 - с тяговым винтом 6.
Силовая установка винтокрыла может содержать третий газотурбинный двигатель 21 (см. Фиг.3), который установлен в хвостовой балке 3 и связан с промежуточным редуктором 18 через муфту сцепления-расцепления 22, электромагнитное управление муфтами сцепления-расцепления 17 и 22 выполнено с возможностью передачи вращения либо несущим винтам 5 через муфту сцепления-расцепления 17 и хвостовой трансмиссионный вал 16; либо тяговому винту 6 через муфту сцепления-расцепления 22 и трансмиссионный вал 19; либо несущим винтам 5 и тяговому винту 6 одновременно через муфты сцепления-расцепления 17 и 22.
Шасси 23 соединены с фюзеляжем 1 и могут убираться в ниши фюзеляжа 1 (на рисунке не показаны).
Скоростной винтокрыл работает следующим образом.
При поступлении от экипажа команды на запуск газотурбинных двигателей 10 скоростного винтокрыла, выполненного с силовой установкой в соответствии с Фиг.1 и Фиг.2, последние через концевые редукторы 11 и 12, трансмиссионные валы 13 и 14 и синхронизирующий редуктор 15 передают вращающий момент на несущие винты 5. Синхронизирующий редуктор 15 заставляет вращаться трансмиссионные валы 14 и 13 с одинаковой частотой для исключения дисбаланса моментов, создаваемых несущими винтами 5 и двигателями 10.
Одновременно, от синхронизирующего редуктора 15, через хвостовой трансмиссионный вал 16, муфту сцепления-расцепления 17, промежуточный редуктор 18, трансмиссионный вал 19 и концевой редуктор 20 вращающий момент передается на тяговый винт 6. Муфта сцепления-расцепления 17 в обычном режиме находится в сцепленном положении, при этом лопасти тягового винта 6 вращаются со скоростью, заданной передаточным отношением трансмиссии.
Несущие винты 5, вращаясь, создают подъемную силу с помощью жестких лопастей 9, которые могут менять угол атаки с помощью автомата перекоса (на рисунке не показан). Автомат перекоса позволяет изменять общий и циклический шаг винтов 5, изменяя подъемную и пропульсивную силу несущих винтов 5, соответственно.
Для управления пропульсивной силой, создаваемой тяговым винтом 6, он оборудован системой управления углом атаки лопастей (на рисунках не показана). Изменяя угол атаки лопастей тягового винта 6, можно изменять величину и направление пропульсивной силы тягового винта 6 или переходить в режим флюгирования.
В режимах висения, вертикального взлета и посадки скоростного винтокрыла несущие винты 5 создают в основном вертикальную подъемную силу, а тяговый винт 6 - нулевую пропульсивную силу. При аварийной посадке с отключенными двигателями 10 в режиме авторотации или при необходимости уменьшить мощность, отбираемую тяговым винтом 6 от несущих винтов 5, например, при взлете или посадке в горах, муфта сцепления-расцепления 17, после получения сигнала от экипажа, расцепляется, промежуточный редуктор 18, трансмиссионный вал 19 и концевой редуктор 20 перестают вращаться, а лопасти тягового винта 6 флюгируются для предотвращения авторотации.
Взлет и посадка скоростного винтокрыла может осуществляться с пробегом. В этом режиме шасси 23 находятся в выпущенном положении. Несущие винты 5 вращаются и создают пропульсивную силу. В случае взлета тяговый винт 6 вращается и создает пропульсивную силу, увеличивая общую пропульсивную силу скоростного винтокрыла. В случае посадки тяговый винт 6, путем поворота лопастей, создает тормозящую пропульсивную силу. В скоростном полете шасси 23 убираются в фюзеляж скоростного винтокрыла для уменьшения лобового сопротивления.
В режимах полета с малой горизонтальной скоростью, кроме создания пропульсивной силы, тяговый винт 6 используется для улучшения устойчивости и управляемости скоростного винтокрыла. Воздушный поток, создаваемый тяговым винтом 6, попадает на горизонтальное и вертикальное оперение скоростного винтокрыла и воздействует на руль направления киля 4 и руль высоты 8, увеличивая их эффективность.
В скоростном полете большую часть подъемной силы создают консоли 2 крыла, поэтому автоматы перекоса несущих винтов 5 устанавливают минимальный угол атаки жестких лопастей 9 для предотвращения преждевременного срыва потока на законцовках. Мощность, потребляемая несущими винтами 5, уменьшается, а мощность, передаваемая упомянутыми элементами трансмиссии тяговому винту 6, увеличивается. При этом тяговый винт 6 может создавать наибольшую пропульсивную силу для скоростного полета.
Силовая установка скоростного винтокрыла может иметь третий газотурбинный двигатель 21 (Фиг.3), установленный в хвостовой балке 3 и связанный с тяговым винтом 6 через муфту сцепления-расцепления 22, промежуточный редуктор 18, трансмиссионный вал 19 и концевой редуктор 20. В обычных режимах взлета, посадки, висения, полета с малыми горизонтальными скоростями третий газотурбинный двигатель 21 может быть, по решению экипажа, отключен от промежуточного редуктора 18 с помощью муфты сцепления-расцепления 22, при этом сам двигатель 21 может быть выключен в целях экономии топлива или работать в дежурном экономичном режиме.
При необходимости увеличить мощность всей силовой установки скоростного винтокрыла, например в условиях полета на большой высоте или с большой нагрузкой, экипаж дает команду на запуск третьего газотурбинного двигателя 21, если он до этого был выключен, и подключение его к промежуточному редуктору 18 с помощью муфты сцепления-расцепления 22. Вращающий момент от третьего газотурбинного двигателя 21 через элементы трансмиссии передается на несущие винты 5 и тяговый винт 6, увеличивая общую мощность силовой установки.
В скоростном полете с третьим газотурбинным двигателем 21 экипаж имеет возможность значительно увеличить пропульсивную силу тягового винта 6 путем отключения элементов трансмиссии 11, 12, 13, 14, 15, 16 от промежуточного редуктора 18 путем расцепления муфты сцепления-расцепления 17. Вращающий момент от третьего газотурбинного двигателя 21, через элементы трансмиссии 22, 18, 19, 20 будет передаваться только на тяговый винт 6. Изменяя режим работы третьего газотурбинного двигателя 21, независимо от двигателей 10, и управляя углом атаки лопастей тягового винта 6, можно менять его пропульсивную силу в широком диапазоне.
В аварийном режиме, при отказе одного или двух двигателей 10, третий газотурбинный двигатель 21 через элементы трансмиссии 22, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12 и 11 передает вращающий момент на несущие винты 5 и через элементы трансмиссии 22, 18, 19 и 20 на тяговый винт 6, обеспечивая безопасную аварийную посадку.