Система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха
HELICOPTER BLADES CONTROL SYSTEM USING COMPRESSED AIR

Настоящее изобретение относится к системе управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха.
В частности, настоящее изобретение относится к системе управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, которая содержит компрессор для подачи сжатого воздуха к лопастям вертолета.
Как известно, вертолеты имеют несущий винт, содержащий вращающийся вал (называемый также «мачтой») и лопасти, которые генерируют необходимую для поддержания полета подъемную силу. Несущий винт имеет регулируемую скорость и наклон и приводится в движение двигателем. Несущий винт работает на валу в свободном вращении или вращается двигателями. К верхней части вала, как правило, присоединены две или большее количество лопастей.
Несущий винт, из-за своей сложности, является фундаментальной системой вертолета. Лопасти летательного аппарата с несущим винтом представляют собой длинные и узкие аэродинамические лопатки с высоким коэффициентом соотношения сторон и с формой, которая сводит к минимуму сопротивление, вызванное завихрениями на конце лопаток.
Как правило, вертолет может иметь два несущих винта, главный и вспомогательный. Главный несущий винт имеет два типа вращения - вращение вокруг вертикальной оси, при котором лопасти вращаются с большой скоростью, создающей большую вертикальную подъемную силу, направленную противоположно весу вертолета, и наклонное вращение, при котором быстрое вращение лопастей создает подъемную силу, имеющую вертикальную составляющую, поддерживающую вес вертолета, и горизонтальную подъемную силу. В целом, несущий винт наклонен в направлении перемещения вертолета. Вспомогательный несущий винт находится в хвосте вертолета и предназначен для создания компенсационной подъемной силы, которая поддерживает хвост неподвижным, так как хвост, реагируя на вращение несущего винта, имеет тенденцию поворачиваться в противоположном направлении.
Кроме того, существуют вертолеты, в которых хвостовой несущий винт заменен турбовентилятором, расположенным в основании кабеля хвостовой балки, куда под давлением направляется от турбовентилятора воздух, который выпускается в поперечном направлении в конце хвостовой балки, создавая требуемую разворачивающую силу.
Вертолет также имеет двигатели, которые приводят в движение несущие винты, заставляя вращаться лопасти.
В известном уровне техники также имеются решения, в которых механическая мощность не передается непосредственно к лопастям, а предусмотрен газотурбинный двигатель, который генерирует сжатую текучую среду. В этих решениях приведение в движение лопастей достигается по существу выбросом горячего газа, сгенерированного в двигателе: текучая среда по существу берется из компрессора двигателя, в котором, однако, как следствие, изменяется термодинамический цикл двигателя с резким уменьшением полного коэффициента полезного действия. Затем текучая среда передается из двигателя к лопастям по неподвижным трубкам, установленным снаружи механической конструкции несущего винта вертолета, а затем она поступает в коробку, состоящую из двух частей, первая из которых прикреплена к конструкции вертолета, а вторая вращается с головкой несущего винта.
Тем не менее, проблема этих решений заключается в том, что коробка с горячей текучей средой под давлением в несколько атмосфер, около 5, на самом деле не является герметичной. Эти трубки, которые образуют трубопровод для текучей среды, на самом деле подвержены относительному вращению в области головки несущего винта. Кроме того, головка несущего винта подвержена воздействию вибраций от несущего винта и, поэтому, не является воздухонепроницаемой, имеет пониженные характеристики уплотнения с течением времени и, следовательно, предрасположена к утечкам с еще большим уменьшением полного коэффициента полезного действия.
Таким образом, уровень техники имеет проблемы, связанные с полным коэффициентом полезного действия и с потерей давления текучей среды. В частности, со ссылкой на первую проблему, летательный аппарат может успешно летать с расчетной нагрузкой, равной сумме веса топлива и веса подлежащих перевозке объектов, называемого полезной нагрузкой. Известные решения имеют очень низкий коэффициент полезного действия, не позволяющий перевозить значительные объемы топлива, в результате выполняя полет с определенной продолжительностью и небольшой нагрузкой или с полезной нагрузкой и с очень низкой продолжительностью. Вторая проблема состоит в конструкции конца реактивной системы: текучая среда, которая должна выходить на конце лопастей, но между неподвижной частью и вращающейся частью, находится под давлением, при этом потеря давления приводит к дополнительному уменьшению коэффициента полезного действия.
Решение этой проблемы было предложено в международной патентной заявке №96/25328, опубликованной 22 августа 1996 года, заявитель Milot Michel. В этой заявке раскрыта система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, содержащая двигатель для генерации механической энергии, необходимой для создания подъемной силы вертолета; компрессор для генерации сжатого воздуха для управления полыми лопастями, соединительное средство для соединения двигателя с компрессором и соединительное средство для соединения компрессора с лопастями, содержащее полый вал несущего винта и вращающуюся полую головку несущего винта, поддерживающую лопасти. Полый вал несущего винта внутри имеет трубу, соединяющую этот вал с вращающейся полой головкой.
Несмотря на то, что во многих аспектах приведенное выше техническое решение имеет многочисленные преимущества, оно не решает проблемы выполнения соединения приводимых в действие реактивной тягой лопастей вращающегося несущего винта с источником энергии эффективным образом.
Целью настоящего изобретения является создание системы управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха с тем, чтобы преодолеть ограничения, которые по-прежнему влияют на системы и вертолеты, описанные ранее со ссылкой на известные технические решения.
В соответствии с изобретением, предложена система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, как определено в п. 1 формулы изобретения.
Для лучшего понимания изобретения далее описан предпочтительный вариант его выполнения, исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид сбоку вертолета, содержащего систему управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, выполненную в соответствии с изобретением;
Фиг. 2A-2B представляют собой схематические виды первого и второго вариантов выполнения предложенной системы управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха;
Фиг. 3 представляет собой первый схематический вид головки несущего винта вертолета, содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, причем головка содержит упругий и гибкий эластомерный канал, предназначенный также для нагнетания, и вращающуюся часть;
Фиг. 4 представляет собой первый схематический вид головки несущего винта вертолета, содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, причем головка содержит эластомерный канал, предназначенный также для нагнетания, и упругую часть;
Фиг. 5 представляет собой второй более подробный схематический вид несущего винта, показанного на Фиг. 3, и путь следования сжатого воздуха через головку к лопастям вертолета, имеющего две лопасти и содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета;
Фиг. 6 представляет собой второй более подробный схематический вид, представленный на Фиг. 4, и путь следования сжатого воздуха через головку к лопастями вертолета, имеющего две или более двух лопастей и содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета со сжатым воздухом;
Фиг. 7А представляет собой схематический вид сверху головки несущего винта двухлопастного вертолета, содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха;
Фиг. 7В, 7С представляют собой схематические виды головки несущего винта, соответственно, трехлопастного вертолета и четырехлопастного вертолета, содержащего предложенную систему управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха.
На чертежах и, в частности, на Фиг. 1 и 2 изображена система 20 управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, выполненная в соответствии с изобретением. Более подробно, вертолет 1 содержит несущий винт 3, лопасти 2 с соплами 4 для выпуска воздуха и систему 20 управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, содержащую первый механизм, выполненный с возможностью генерации механической энергии, второй механизм, выполненный с возможностью генерации массы текучей среды в виде газа, например сжатого воздуха при низкой температуре (около 50°C) и давлении приблизительно 2,5 атмосфер, для управления лопастями 2, и соединительные элементы первого механизма со вторым механизмом и второго механизма с лопастями 2.
Точнее, первый механизм содержит двигатель 5, а второй механизм содержит компрессор 8. Предпочтительно, в соответствии с изобретением, двигатель 5 может быть любым двигателем, который генерирует механическую энергию.
Преимущественно, в соответствии с изобретением, сжатый воздух генерируется компрессором 8, который использует механическую мощность двигателя 5.
Соединительные элементы первого механизма со вторым механизмом могут содержать высвобождаемый элемент 6, например механический, расположенный выше по потоку от компрессора, как показано на Фиг. 2B, или пневматический, расположенный ниже по потоку от компрессора, как показано на Фиг. 2A, для свободного вращения несущего винта 3, который воздействует на двигатель 5, и редуктор 7 на высвобождаемом элементе 6, выполненный с возможностью приведения в действие компрессора 8. Соединительные элементы второго механизма с лопастями 2 содержат полый вал или мачту несущего винта 3, содержащую внутри трубу 9, и упругую вращающуюся полую головку 13 несущего винта 3.
В соответствии с одним аспектом изобретения, высвобождаемый элемент 6 представляет собой сцепление или аналогичный элемент.
Фиг. 3 подробно изображает упругую вращающуюся полую головку 13 несущего винта, через которую сжатый воздух может передаваться из полого вала несущего винта 3 к полым лопастям 2. В частности, между трубой 9 полого вала несущего винта 3 и полыми лопастями 2 расположен гибкий и деформируемый эластомерный канал 15.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, канал 15 представляет собой гибкую эластомерную трубку, имеющую конфигурацию в виде нескольких букв «V» с продолжающимися, в концевой части «V», ответвлениями, число которых равно числу лопастей, имеющихся в вертолете. Функция канала 15 заключается в переносе сжатого воздуха к лопастям 2. Поэтому в двухлопастном вертолете, как показано на Фиг. 5, сжатый воздух проходит путь, образованный частью А внутри трубы 9, частью В внутри канала 15, а затем расходится по ответвлениям С и D, направляющим воздух к лопастям 2. Вместо этого в вертолете, имеющем более двух лопастей, как показано на Фиг. 6, сжатый воздух проходит путь, образованный частью А внутри трубы 9, частью В внутри эластомерного канала 15, а затем расходится по ответвлениям С, D или Е, …, N, F, …, N, направляющим воздух к лопастям 2.
Преимущественно, в соответствии с изобретением, как показано на Фиг. 3 и 5, упругая / вращающаяся полая головка 13 несущего винта поддерживается конструкцией 17, закрепленной на полом валу несущего винта 3, которая, посредством шарнира 14, называемым втулкой несущего винта, поддерживает вращающиеся лопасти 2, но только в вертолете с двумя лопастями и втулкой несущего винта. Конструкция 17 соединяет, в двухлопастном решении с шарниром, показанном на Фиг. 3, мачту 9 с лопастями 2 через вращающуюся часть 18 головки 13 несущего винта, вращающейся вокруг шарнира 14.
В соответствии с одним аспектом изобретения, конструкция 17 является металлической.
В соответствии с другим аспектом изобретения, конструкция 17 изготовлена из конструкционных материалов, например металлов, или композиционных материалов, или других.
На Фиг. 5 схематически показано, что сжатый воздух, подаваемый из компрессора 8, направляется в трубе 9 в направлении, указанном стрелкой «f», и разделяется внутри головки 13, как показано пунктирными стрелками «f» и «i», на потоки в трубы 16 лопастей 2, пока не достигнет сопла 4, из которого поток воздуха выходит, как показано стрелками «k» на Фиг. 1.
На Фиг. 6 головка 13 несущего винта показана для вертолета, имеющего две или большее количество лопастей, например N лопастей. Головка 13 содержит гибкую горизонтальную конструкцию 1a, соединенную с конструкцией 17, которая обеспечивает возможность вращения головки 13 и эластомерного канала 15, переносящего поток сжатого воздуха к лопастям 2, через который мачта 9 присоединена к головке 13 абсолютно герметичным образом, так что сжатый воздух проходит в ответвления 19a, 19b, 19c, …, 19N, расширяясь в ответвления гибкой трубки, выполненной в форме нескольких букв «V» канала 15, абсолютно герметичным образом к лопастям 2.
Преимущественно в соответствии с изобретением, конструкция 17 выполнена с возможностью поглощения сил, действующих на упругую / вращающуюся полую головку 13, показанную на Фиг. 3 и 5, и упругую / гибкую полую головку 13, показанную на Фиг. 4 и 6.
На Фиг. 7A изображен, для двухлопастного вертолета, вид сверху головки 13 несущего винта, закрепленной на полом валу несущего винта 3 и поддерживающей вращающиеся лопасти 2. Вращающаяся часть 18 головки несущего винта содержит втулку 14 несущего винта и ответвления 19a и 19b, проходящие из ответвлений \/-образной эластомерной гибкой трубки канала 15, к которой присоединены лопасти 2 вертолета.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, как показано на Фиг. 4, в вертолете, имеющем N лопастей, горизонтальная гибкая конструкция 17a имеет ту же функцию, что и вращающаяся часть 18, изображенная на Фиг. 5, т.е. обеспечивает возможность махового движения. Таким образом, горизонтальная гибкая конструкция 17a имеет разветвленную структуру, имеющую N ответвлений, проходящих, как показано номерами позиций 19a, 19b, 19c, для трехлопастного вертолета, изображенного на Фиг. 7B, и проходящих, как показано номерами позиций 19a-19b-19c-19d, для четырехлопастного вертолета, изображенного на Фиг. 7C.
Преимущественно в соответствии с изобретением, эта конкретная конфигурация упругой полой головки 13 и гибкого канала 15 позволяет отслеживать относительные перемещения между валом несущего винта 3 и лопастями 2 и создавать путь для прохода сжатого воздуха в направлении сопла 4 лопастей 2. Соединение трубы 9 полого вала несущего винта 3 с каналом 15 и с лопастями 2 обеспечивает герметичное соединение между этими элементами.
Преимущественно в соответствии с изобретением, система 20 может быть реализована в вертолетах с двухлопастными несущими винтами или несущими винтами, имеющими более двух лопастей. В этом случае канал 15 выполнен внутри полого эластомерного корпуса из армированного материала со специальным переплетением проволок из прочных материалов (как, например, стекло, или углерод, или кевлар, или бор) и их комбинации для получения требуемых характеристик упругости, образуя несколько упругих труб, по одной для каждой лопасти, которые направляют сжатый воздух на концах каждой лопасти.
При работе двигатель 5 действует на высвобождаемый элемент 6, который, посредством редуктора 7, приводит в действие компрессор 8. Последний подает сжатый воздух внутрь трубы 9 вращающегося вала винта 3.
Предпочтительно в соответствии с изобретением, генерируемый сжатый воздух проходит через гибкий эластомерный канал 15 и упругую полую головку 13 и распределяется внутри лопастей 2, приходя к соплам 4 за счет упругой деформации эластомерного канала 15 и, соответственно, вращающейся части 18 в двухлопастном вертолете и гибкой конструкции 17a в вертолете, имеющем более двух лопастей.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, вертолет 1 не имеет вспомогательного несущего винта.
Таким образом, предложенная система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха позволяет обойтись без внешних неподвижных трубок, используемых для передачи текучей массы газа к лопастям летательного аппарата, благодаря особой форме полой вращающейся головки несущего винта и эластомерного гибкого канала.
Еще одно преимущество предложенной системы управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха состоит в увеличении полезной нагрузки за счет уменьшения общего веса воздушного судна, обходясь без всех приводных механизмов и самого вспомогательного несущего винта.
Кроме того, предложенная система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха позволяет получить более высокий уровень безопасности благодаря устранению вероятности поломки механической системы передачи движения к вспомогательному несущему винту.
И, наконец, предложенная система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха позволяет получить предельную нагрузку, равную предельной нагрузке классической системы механического привода главного несущего винта и вспомогательного несущего винта.
Наконец, ясно, что система управления лопастями вертолета с помощью сжатого воздуха, описанная и проиллюстрированная в настоящем документе, может быть модифицирована и видоизменена без отхода от объема защиты настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.