КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕРТОЛЕТ (ВАРИАНТЫ)
COMBINED HELICOPTER (VERSIONS)

Изобретение относится к авиационной технике и может использоваться при создании скоростных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки типа конвертоплан на базе подъемонесущей схемы вертолетов с продольным и поперечным расположением несущих винтов.
Известны комбинированные вертолеты, относящиеся к категории конвертопланов, например «Ротодайн» США и КА-22 Россия, которые содержат основные конструктивные узлы вертолета - двигательную установку с редуктором и несущие винты. Кроме того, они снабжены аэродинамическими плоскостями крыльев и тянущими винтами, имеющими привод от основного или вспомогательных двигателей. Взлет и посадку они производят как вертолет, используя подъемную силу несущих винтов, а в горизонтальном полете несущие винты работают в режиме авторотации за счет тяги тянущих винтов. При этом плоскости крыльев существенно разгружают несущие винты, что дает возможность увеличить скорость горизонтального полета до 400 км/ч.
Однако дальнейшее повышение их скорости полета ограничивается значительным сопротивлением встречному потоку воздуха «наступающих» лопастей и снижением подъемной силы «отступающих» лопастей несущих винтов. Кроме того, конструкция существующих конвертопланов получается довольно сложной и громоздкой из-за наличия большого числа промежуточных звеньев в механической трансмиссии, передающей крутящий момент к тянущим винтам (П.Бауэрс. Летательные аппараты нетрадиционных схем. М.: Мир, 1991, стр.211).
Известен также летательный аппарат вертикального взлета и посадки, включающий установленные на валу корпус, состоящий из двух частей, кабину, два несущих винта, двигатели, посадочное устройство и систему управления. Несущие винты вращаются в противоположных направлениях и установлены на валу один за другим, вал разделен на части сателлитами для его стабилизации, кабина закреплена на верхней части вала, выступая над корпусом, лопасти верхнего винта прямые и их наружные концы подвижно скреплены между собой плоским горизонтальным кольцом, образуя верхнюю открытую часть корпуса, а нижний винт расположен в корпусе и наружные части его лопастей скреплены по кольцу вертикальной полосой, верхняя и нижняя части корпуса жестко скреплены, и в щелевых отверстиях между ними расположены лепестки управления.
В данном летательном аппарате (выбранном в качестве прототипа) вышеуказанный технический результат повышения горизонтальной скорости полета также не достигается, несмотря на наличие двух двигателей, которые при работе создают повышенный шум и вибрации, обусловленные эффектом «биения» приводных валов с различными скоростями вращения (Патент на полезную модель № 36345, 2003 г. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки).
Задачей настоящего изобретения является разработка компактной конструкции комбинированного вертолета с небольшими крыльями, обладающего высокой скоростью и дальностью горизонтального полета при возможности вертикального взлета и посадки с малых площадок и транспортировки обычным автомобильным или железнодорожным транспортом, по крайней мере в одно- и двухместном варианте исполнения.
Решение поставленной задачи достигается формированием нисходящего воздушного потока с управляемым вектором тяги при помощи двух оппозитных винтов, расположенных над днищевым люком с управляющими лепестками между кабиной и двигателем так, что их плоскости вращения пересекаются над арочным или горизонтальными крыльями под углом от 0 до 60°.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявляемого решения не была известна, следовательно, предложенная схема и конструкция вертолета соответствуют условию патентоспособности и критерию «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники также показал, что предложенное техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных устройствах, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предложенное техническое решение обладает изобретательским уровнем по сравнению с существующим уровнем техники.
Разработанные математические модели предложенных устройств и их виртуальная компьютерная продувка показывают, что предложенное техническое решение может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляется: 1 вариант.
Комбинированный вертолет, включающий установленные на коаксиальном валу корпус, состоящий из двух частей в виде кабины и двигателя, два несущих винта с аэродинамической системой управления и посадочное приспособление с колесами, отличающийся тем, что оси оппозитно размещенных винтов, расположены поперек продольного приводного вала над днищевым люком между носовой кабиной и кормовым двигателем, соединенных между собой арочной балкой и горизонтальными основаниями крыльев так, что продольно ориентированные плоскости вращения несущих винтов пересекаются над ними под углом от 0 до 60°, а аэродинамическая система управления воздушными потоками кроме традиционного вертикального киля с рулем и горизонтальными элеронами крыльев и стабилизатора, содержит два вертикальных лепестка под продольным коаксиальным валом, снабженных независимым приводом от органов управления вертолетом, аналогичных более сложному автомату перекоса потока несущих винтов с поворачивающимися лопастями. Вместо них используются винты постоянного шага, закрепленные на полуосях редуктора их синхронного вращения, расположенного внутри внешней трубы продольного коаксиального вала, который кинематически соединен с выходным валом двигателя.
Вместо управляемых лепестков могут быть установлены оппозитные винты управляемого шага, соединенные с органами управления в кабине пилота.
2 вариант.
Комбинированный вертолет, включающий установленные на коаксиальном валу корпус, состоящий из двух частей в виде кабины и двигателя, два несущих винта с аэродинамической системой управления и посадочным приспособлением с колесами, отличающийся тем, что оси оппозитных несущих винтов расположены в продольной диаметральной плоскости корпуса между носовой кабиной и кормовым двигателем, соединенных между совой продольными балками, на которых установлены арочное и тандемные крылья, а также вертикальный киль и кормовой руль аэродинамической системы управления.
Эта система управления дополнена двумя парами лепестков днищевого люка под несущими винтами, плоскости вращения которых пересекаются над приводным коаксиальным валом под углом от 0 до 60°, благодаря установленному на внутреннем валу носового винта шарнира равных угловых скоростей и соединению внешнего трубчатого вала кормового винта с редуктором противовращения коаксиальных валов обоих винтов.
Для упрощения конструкции и управления на внутреннем валу установлен носовой винт постоянного шага, а на трубчатом валу - реверсивный винт регулируемого шага соединенный с аэродинамической системой управления.
Кроме того, и на трубчатом валу может быть установлен винт постоянного шага, а водило сателлитов дифференциального редуктора противовращения снабжено тормозом системы управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами где:
На Фиг.1 показана боковая проекция комбинированного вертолета с продольным расположением плоскостей вращения его несущих винтов (1 вариант).
На Фиг.2 представлен вид сверху данного варианта вертолета.
На Фиг.3 - его вид спереди с частичным разрезом корпуса.
На Фиг.4 представлен вид спереди комбинированного вертолета с арочным крылом и поперечным расположением плоскостей несущих винтов (2 вариант).
На Фиг.5 дан вид сверху комбинированного вертолета с арочным крылом.
На Фиг.6 представлена кинематическая схема редуктора синхронного вращения несущих винтов по 1 варианту.
На Фиг.7 дана кинематическая схема редуктора противовращения несущих винтов с управляющим тормозом по 2 варианту.
Заявляемый комбинированный вертолет по 1 варианту (Фиг.1, 2, 3, 6) содержит установленный на коаксиальном валу 1 корпус, состоящий из двух частей в виде кабины пилота 2 и двигателя 3 с защитным кожухом-обтекателем и аэродинамической системой управления, которая состоит из вертикального киля 4 с рулем 5, двух поворотных плоскостей стабилизатора 6 и двух элеронов 7 горизонтальных крыльев 8.
Эта традиционная система управления дополнена двумя лепестками 9, размещенными под коаксиальным валом 1 между двух несущих винтов 10 и 11, оппозитно закрепленных на полуосях редуктора их синхронного вращения так, что плоскости их вращения пересекаются над корпусом вертолета под углом γ величиной от 0 до 60°.
Посадочное приспособление вертолета состоит из рулевого колеса 12 под кабиной пилота 2 и двух приводных колес 13, кинематически соединенных, как обычно, через дифференциал главной передачи и сцепление с двигателем 3.
Редуктор синхронного вращения 14 состоит из приводного шкива 15, кинематически связанного с двигателем 3, например, клиноременной передачей, и внутреннего вала 16, на котором закреплены две ведущие шестерни 17. Эти шестерни входят в зацепление со своими ведомыми шестернями 18 полуосей 19 вышеупомянутых несущих винтов 10 и 11, которые смещены относительно друг друга на небольшой эксцентриситет e, необходимый для поворота полуосей в поперечной плоскости на угол, не равный 180°.
Комбинированный вертолет по 2 варианту (Фиг.4, 5, 7) также содержит корпус, состоящий из кабины 20 и двигателя 21, соединенных коаксиальным валом 22, на котором оппозитно закреплены два несущих винта 23 и 24. Только оси этих винтов расположены в продольной диаметральной плоскости корпуса вертолета так, что плоскости вращения несущих винтов пересекаются над их коаксиальным валом под углом γ, величина которого находится в пределах от 0 до 60°. Кроме коаксиального вала 22, носовая кабина 20 и кормовой двигатель 21 соединены между собой тремя продольными балками, на которых установлены арочное крыло 25 и две пары тандемных крыльев 26 и 27, способных поворачиваться вокруг поперечных осей в соответствии с положением органов аэродинамической системы управления. В дополнение к традиционному килю 28 с вертикальным рулем 29 в эту систему управления входят две пары лепестков 30 и 31 днищевого люка, расположенных под несущими винтами наподобие «створок бомболюка».
На днище корпуса вертолета имеется также посадочное приспособление, состоящее из рулевого колеса 32 и двух приводных колес 33, связанных с двигателем 21 через автомобильную трансмиссию (не показана).
На внутреннем валу редуктора противовращения 34 с шарниром равных угловых скоростей 35 установлен носовой винт постоянного шага 23, а на трубчатом валу 36 - кормовой несущий винт 24 регулируемого шага, который может быть заменен винтом постоянного шага, если обойма сателлитов 37, расположенная между шестернями внутреннего и внешнего вала 38 и 39, будет снабжена тормозом 40 системы управления кинематической связью с приводным шкивом 41.
Работа предложенного изобретения основана на взаимодействии встречных потоков оппозитных несущих винтов, которые сливаются в единый общий поток воздуха с управляемым вектором тяги, зависящим от величины и направления тяги каждого из несущих винтов.
Например, у комбинированного вертолета по 1 варианту при угле γ, равном 50-60°, восходящая компонента общего воздушного потока полностью отсутствует. Поэтому при вертикальном взлете или посадке такого вертолета весь воздушный поток проходит через люк в днище корпуса вертолета, так как вертикально поднятые в это время плоскости стабилизатора 6 препятствуют распространению горизонтальной компоненты воздушного потока от синхронно вращающихся несущих винтов 10 и 11 назад в нежелательном направлении. В этом режиме «зависания» управление по крену и поперечным перемещением вертолета осуществляется одновременным поворотом лепестков 9 на соответствующий борт, а разворот на месте - поворотом этих лепестков в противоположные стороны.
Переход от вертикального движения в горизонтальный режим полета происходит во время поворота плоскостей стабилизатора 6 в горизонтальное положение, при котором часть воздушного потока выжимается несущими винтами 10 и 11 в направлении кормы, создавая горизонтальную силу тяги.
При этом управление по тангажу и курсу происходит «по-самолетному», то есть элеронами крыльев 7, стабилизатором 6 и рулем 5. Значительная часть воздушного потока по-прежнему уходит вниз через люк, частично разгружая крылья 8 и стабилизируя пространственное положение корпуса вертолета за счет регулируемого смещения центра аэродинамических сил системой управления вертолетом.
Поэтому взлет и посадку предлагаемый вертолет может совершать и «по-самолетному» с ультракоротким пробегом и разгоном при помощи приводных колес 13 посадочного приспособления, рулевое колесо которого 12 позволяет в наземном положении пользоваться вертолетом как обычным автомобилем.
Работа комбинированного вертолета по 2 варианту отличается лишь тем, что при вертикальном взлете и посадке арочное крыло 25 эффективно переориентирует восходящую и боковые компоненты воздушного потока оппозитных винтов 23 и 24, направляя его вниз даже при угле γ=0, то есть при замене шарнира равных угловых скоростей 35 жестким сплошным участком внутреннего вала носового винта 23.
При этом в режиме зависания управление вертолетом осуществляется за счет воздействия на нисходящий воздушный поток лепестками 30, 31 днищевого люка и тандемными крыльями 26, 27, которые после перехода в горизонтальный полет берут на себя нагрузку кормового винта 24, так как после реверса лопастей этого винта регулируемого шага он создает такой же горизонтальный воздушный поток, направленный назад, как и носовой винт 23. Благодаря этому у предлагаемого вертолета принципиально отсутствует разница между «наступающими и отступающими» лопастями несущих винтов, которые выполняют и функции тянущих винтов с одним работающим двигателем.
Даже при установке кормового винта 24 постоянного шага он без реверса может быть отключен от двигателя за счет растормаживания обоймы сателлитов 37 редуктора противовращения, который передает всю мощность двигателя только носовому тянущему винту 23.
Следовательно, при прочих равных условиях скорость горизонтального полета и эффективность активного управления на всех режимах полета предлагаемого вертолета будут значительно выше, чем у аналогов. Тогда как схема управления вектором тяги воздушного потока получается гораздо проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем громоздкие и сложные автоматы перекоса лопастей несущих винтов у существующих вертолетов. Поэтому предлагаемый вертолет можно без серьезных проблем изготовить с применением известных технологий и конструкций «самолетных» винтов как в единичном производстве, так и малыми сериями на любом авиационном предприятии.