ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ И ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ
VTOL AIRCRAFT AND VTOL RADIAL-FLOW AIR PROPULSOR

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой. Изобретение может быть использовано при транспортировке различных грузов.
Известен способ полета в воздухе, применяемый в вертолетах, заключающийся в том, что используют несущий винт, которой вращают в горизонтальной плоскости, направляют вниз созданный несущим винтом поток воздуха и за счет этого создают подъемную силу (Политехнический словарь. Под ред. академика А.Ю.Ишлинского, изд. "Советская энциклопедия", М. - 1980, с.75, 76). Несмотря на широкое использование таких устройства, оно обладает тем недостатком, что практически с учетом реальных размеров винта для создания необходимой величины тяги требуются большие удельные размеры ометаемой площади и большие удельные затраты мощности на единицу подъемной силы. Причем снижение удельных затрат мощности возможно лишь путем увеличения ометаемой площади, а она ограничена прочностью винта. Многовинтовые вертолеты при своей обычной классической форме не могут иметь большого количества несущих винтов.
Известно устройство, представляющее собой несущую систему летательного аппарата вертикального взлета и посадки (патент США №2944762), которое содержит корпус и рабочее колесо с плоскими радиальными лопатками. Подъемная сила образуется за счет обтекания воздушным потоком аэродинамической поверхности, выполненной снаружи в верхней части устройства. На виде сверху эта поверхность имеет форму круга довольно большого радиуса для создания достаточной подъемной силы. Это приводит к увеличению габаритов устройства, что является его недостатком.
Известно устройство (патент РФ №2268199) для формирования подъемной силы, представляющее собой две соосные выпуклые поверхности с ребрами (лопатками), ориентированными на них по спирали с противоположной ориентацией. Обе поверхности вращаются в противоположных направлениях. Вращение поверхностей с ребрами создает радиально ориентированный поток и вследствие этого пониженное давление над этими поверхностями. Указанное устройство имеет относительно большой диаметр при относительно небольшой высоте ребер движителя, что не позволяет достичь значительной глубины разрежения воздуха над рабочими поверхностями. Верхний конец вала вращения не закреплен в подшипник, что при высоких скоростях вращения приведет к радиальному биению. Указанные недостатки характерны вообще для всех устройств такого типа.
Известен летательный аппарат вертикального взлета и посадки (локомоскайнер), выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий корпус, движители горизонтального хода и движители вертикального взлета и посадки (интернетсайты компании «Локомоскай» www.locomosky.ru: журнала «Популярная механика» www.popmech.ru; статья «Небесный тяжеловес», март 2010 г. свободная энциклопедия-википедия ru.wikipedia.org/wiki/Локомоскайнер). Корпус летательного аппарата имеет тарелкообразную форму, наполненную легкими газами диаметром до 250 м и высотой до 100 м (при грузоподъемности в 600 т), оба типа движителей - винтовые и установлены на корпусе.
Указанный летательный аппарат имеет недостатки, свойственные всем летательным аппаратам легче воздуха. Несмотря на относительно обтекаемую форму он будет слишком сильно сноситься ветром. Мягкий корпус аппарата легко повреждаем и не надежен в эксплуатации. При огромных габаритах локомоскайнер обладает относительно низкой грузоподъемностью. Достаточно интересна мысль, расположить движители вертикального взлета и посадки вертолетного типа по периметру летательного аппарата. Это позволило бы намного увеличить совокупную ометаемую лопастями поверхность и достичь большей грузоподъемности, чем на вертолетах классического типа. Можно было бы получить летательный аппарат вертикального взлета и посадки тяжелее воздуха полезной грузоподъемностью в 600 т, расположив по периметру корпуса 20-30 вертолетных движителей от вертолета МИ-26. Надежность такого аппарата была бы выше, чем у локомоскайнера-дирижабля, но в таком случае дальность полета и длительность пребывания в воздухе была бы значительно меньше, чем у локомоскайнера, а большой расход топлива резко снизил бы рентабельность эксплуатации такой машины. К тому же габариты (диаметр) такого летательного аппарата были бы так же велики, как у локомоскайнера. Очевидно, поэтому у локомоскайнера движители вертолетного типа играют вспомогательную роль.
Известен аэродинамический движитель (центробежный воздушный движитель), выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий открытую сверху и с боков крыльчатку и вертикальный корпус-обтекатель в виде конической поверхности вращения, ограниченные снизу торцевой поверхностью (патент РФ №2118600). Указанное устройство имеет большой диаметр вращающихся частей, что исключает закрепление верхней части вала вращения в подшипник, а также вообще отличается большой сложностью, что на данном этапе развития технологии не дает возможности достичь необходимых высоких скоростей вращения. Радиальное направление лопаток создает излишнее сопротивление воздуха при вращении. Верхняя торцевая площадка движителя сокращает величину полезной торцевой  ометаемой площади.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежного по прочности, аэродинамике и последствиям отказа двигателей летательного аппарата вертикального взлета и посадки большой грузоподъемности и центробежного воздушного движителя вертикального взлета и посадки, обеспечивающего высокую грузоподъемность летательного аппарата тяжелее воздуха при низких удельных затратах мощности.
Летательный аппарат вертикального взлета и посадки, включающий корпус, движители горизонтального хода и движители вертикального взлета и посадки, согласно изобретению содержит консольную решетку, с двух или более сторон прикрепленную к корпусу или нескольким корпусам летательного аппарата, причем движители вертикального взлета и посадки центробежные, установленные в узлах консольной решетки с возможностью наклона к вертикали и приводимые в действие от теплосиловыми двигателями или электродвигателями.
Движители вертикального взлета и посадки установлены в парном количестве с возможностью вращения в противоположные стороны.
В центробежном воздушном движителе вертикального взлета и посадки, содержащем открытую сверху и с боков крыльчатку с лопатками и вертикальный корпус-обтекатель в виде конической или иной заостренной к верху поверхности вращения, ограниченные снизу торцевой поверхностью, согласно изобретению корпус-обтекатель установлен на валу в подшипниковых узлах, на боковой поверхности верхней заостренной части корпуса-обтекателя установлена крыльчатка из вертикальных плоских лопаток, отогнутых назад по ходу вращения или закрученных назад по спирали, причем диаметр крыльчатки равен наибольшему диаметру корпуса-обтекателя, а боковая ометаемая лопастями поверхность больше, чем ее торцевая ометаемая лопастями поверхность.
Верхний подшипник вала корпуса-обтекателя установлен в стойке, закрепленной на корпусе привода движителя или непосредственно на консольной решетке с возможностью свободного движения воздуха сверху и с боков крыльчатки.
Предлагаемое изобретение летательного аппарата вертикального взлета и посадки с обычными вертолетными или более эффективными центробежными воздушными движителями обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что повышение грузоподъемности при снижении удельных затрат мощности достигается как за счет увеличения совокупной полезной ометаемой движителями вертикального взлета площади, так и за счет повышения эффективности использования ометаемой площади.
Достаточное для летательных аппаратов вертикального взлета и посадки с полезной грузоподъемностью порядка тысячи тонн увеличение полезной ометаемой площади не может быть достигнуто ни при расположении винтов над корпусом летательного аппарата (классический тип вертолета), ни при расположении винтов по периметру корпуса, как у локомоскайнера. Такое увеличение полезной ометаемой площади возможно при расположении большого количества движителей вертикального взлета на очень длинных крыльях или выносных консолях. Однако в этом случае возникает проблема прочности конструкции. Длинные крылья (консоли) с одним свободным концом будут отламываться от корпуса за счет растущего с увеличением длины свободного конца выносной консоли изгибающего момента в месте прикрепления консоли к корпусу. Поэтому необходимо для прочности закрепить на корпусе оба конца консоли, в этом случае изгибающий момент в критических точках конструкции консоли будет в несколько раз меньшим, чем при наличии свободного конца консоли.
Действие обычного воздушного винта можно разделить на две составляющие: на передней по ходу перемещения части лопасти образуется зона разрежения, а на противоположной - зона сжатия. Спереди пропеллер притягивает в свою зону разрежения массу воздуха впереди себя, а сзади в зоне сжатия образует реактивную струю. При работе на холостом ходу или при зависании вертолета на месте в обеих зонах создаются одинаковые силовые импульсы Ft (где F - сила, t - период действия силы), равные количеству движения масс воздуха - mV (где m - масса воздуха, V - скорость массы воздуха). Однако основная часть затрачиваемой на пропеллере энергии уходит в реактивную струю, энергия которой определяется по формуле
3
1
1
2
2
1
1
2
2
W=ρV/2 (где ρ - плотность воздуха, V - скорость струи), так как скорость реактивной струи значительно выше, чем скорость всей той массы воздуха, которая движется навстречу пропеллеру. Баланс масс и скоростей в пропеллере уравнивается по формуле постоянства количества движения mV=mV (где mV - масса и скорость воздуха до попадания в пропеллер, mV - масса и скорость воздуха после пропеллера). Из сказанного следует, что энергетически зона разрежения пропеллера намного эффективнее зоны сжатия, так как при одинаковом силовом импульсе (тяге) в зоне разрежения затрачивается на порядок меньше энергии. Однако эффективность зоны разрежения пропеллера высока только при низких скоростях полета. При более высоких скоростях набегающий поток воздуха «смывает» зону разрежения.
Центробежный воздушный движитель создает тягу только за счет зоны разрежения. Для обеспечения зависания в воздухе летательного аппарата тяжелее воздуха это наиболее выгодный энергетически тип движителя. Он также является более выгодным по габаритам и эффективности использования ометаемой лопастями движителя площади. У центробежного воздушного движителя ометаемая площадь равна площади несущей плоскости, в то время как у вертолета площадь несущей плоскости составляет малую долю от ометаемой лопастями движителя площади. Небольшой диаметр центробежного воздушного движителя допускает большие скорости вращения крыльчатки и высокую степень разреженности воздуха в верхней части движителя, что обеспечивает в условиях зависания аппарата относительно более высокую, нежели у пропеллерного движителя, тягу на единицу площади несущей плоскости. Вытянутость крыльчатки и наличие обтекателя позволяет свести к минимуму воздействие на несущую плоскость потока воздуха, опускающегося на движитель сверху. Большая боковая поверхность крыльчатки (по крайней мере, большая, чем торцевая ее поверхность) позволяет снизить до минимума скорость потока воздуха, отходящего из рабочей зоны крыльчатки, что дает экономию мощности двигателя. Экономию мощности движителя дает также отклонение назад по ходу вращения лопастей крыльчатки. Это позволяет снизить лобовое сопротивление потоку воздуха вертикальных лопастей.
Форма корпуса летательного аппарата всегда должна быть выгодной в аэродинамическом отношении. Для крупных летательных аппаратов особенно важно уменьшить возможность ветрового сноса. Форма должна быть также такой, чтобы обеспечить надежное прикрепление к корпусу летательного аппарата консольной решетки. Наличие консольной решетки и небольшие размеры движителя позволяют снабдить аппарат большим количеством движителей вертикального взлета и посадки с таким расчетом, чтобы выход из строя части движителей не привел к немедленному падению аппарата, но позволил совершить мягкую аварийную посадку. Использование движителей вертикального взлета в парном количестве с вращением в разные стороны позволяет исключить влияние крутящего момента. В то же время не обязательно, чтобы движителей всегда было точно четное число, так как часть крутящего момента может погашаться за счет формы корпуса летательного аппарата и воздушных рулей. Возможность изменять направление движения с помощью наклона движителей вертикального взлета значительно повышает маневренность летательного аппарата.
Патентные исследования не выявили подобных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки и центробежных движителей, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное изобретение соответствует критерию «новизна».
Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически изображен в плане летательный аппарат в форме тороида; на фиг.2 изображен в плане летательный аппарат в форме тримарана; на фиг.3 схематически изображен центробежный воздушный движитель вид сверху и вид сбоку в разрезе; на фиг.4 - прототип.
Летательный аппарат вертикального взлета и посадки включает корпус 1, консоль-решетку 2 с шарнирно установленными в узлах консоль-решетки 2 центробежными движителями вертикального взлета и посадки 3 и закрепленными на корпусе 1 движителями горизонтального хода 4.
Центробежный воздушный движитель вертикального взлета и посадки 3 выполнен в виде крыльчатки 5, установленной на корпусе-обтекателе 6. Вал вращения 7 корпуса-обтекателя 6 установлен в подшипниках: верхний подшипниковый узел 8 и нижний подшипниковый узел 9. Верхний подшипниковый узел 8 установлен в стойке 10, соединенной с корпусом приводного двигателя 11, а нижний подшипниковый узел 9 соединен через соединительную муфту 12 с валом приводного двигателя 11. Стойка 10 выполнена таким образом, чтобы она не влияла на приток воздуха сверху и отток его с боков, и закреплена на корпусе проводного двигателя 11 или на консольной решетке 2.
Для решения указанной задачи корпус 1 летательного аппарата может быть выполнен в виде тороида (в плане круглого или вытянутого, подобно эллипсу). Центральное отверстие тороида перекрывается консольной решеткой 2, в узлах которой расположены центробежные движители вертикального взлета и посадки 3 и движители горизонтального взлета 4. Для корпуса 1 допустимы также другие выгодные в аэродинамическом отношении фигуры (подкова, параболоид, треугольник, тримаран и т.д.), замкнутые и разомкнутые, образованные полой трубой большого диаметра или коробчатым профилем, позволяющие надежно в прочностном отношении перекрывать межкорпусное пространство указанной консольной решеткой. Движители могут приводиться в действие либо непосредственно каждый своим отдельным теплосиловым двигателем, например турбиной, либо электродвигателями, питаемыми силовыми установками, установленными в корпусе летательного аппарата. Горизонтальный полет аппарата обеспечивается пропеллерными движителями 4, подобно движению дирижабля, а также небольшим наклоном всех или части центробежных движителей вертикального взлета и посадки 3, установленных для этой цели в узлах консольной решетки 2 шарнирно. Манипулирование наклоном по разным направлениям одновременно большого количества движителей обеспечивает высокую маневренность летательного аппарата. Для устранения крутящего момента центробежные движители вертикального взлета и посадки, вращающиеся в противоположные стороны, устанавливаются приблизительно в равном количестве. Для летальных аппаратов большой грузоподъемности используется большое число пар движителей, что обеспечивает большую безопасность полета в случае отказа части движителей или их привода. В качестве движителей вертикального взлета и посадки могут быть использованы либо обычные вертолетные винты, либо более эффективные центробежные воздушные движители.
2
Центробежный воздушный движитель вертикального взлета и посадки 3 работает следующим образом. При вращении крыльчатки 5 движителя образуется центробежное движение воздуха, вследствие чего между лопастями крыльчатки 5 образуется зона пониженного давления. Центробежная сила F рассчитывается по формуле F=mV/R, где V - линейная скорость вращения данной материальной точки, R - радиус вращения материальной точки, m - масса материальной точки (в данном случае масса элементарного кубика воздуха на удалении R от оси вращения). Из формулы видно, что для повышения F необходимо стремиться иметь максимальную линейную скорость вращения V при минимальном радиусе R. При технологически достижимых сегодня скоростях вращения до 300 тыс об/мин, давление внутри крыльчатки 5 будет приближаться к техническому вакууму. Атмосферный воздух беспрепятственно втекает в зону пониженного давления сверху, но с боков втеканию атмосферного воздуха препятствует действие крыльчатки 5 и центробежный поток воздуха изнутри зоны пониженного давления. По всей поверхности обтекателя 6 давление примерно одинаковое, так как внешняя кромка лопастей крыльчатки 5, где скорость вращения наибольшая, действует для остального внутреннего пространства крыльчатки 5 как центробежный вакуумный насос. Атмосферный воздух на границе зоны пониженного давления мгновенно ускоряется. Данное ускорение происходит за счет внутренней энергии воздуха при его адиабатическом расширении в зоне пониженного давления крыльчатки 5. При давлении в рабочей зоне крыльчатки 5, близком к техническому вакууму, скорость потока может достигать в пределе более 700 м/сек. Двигаясь вниз вдоль поверхности сильно заостренного обтекателя, поток разреженного воздуха не оказывает на него значительного давления. Большая кинетическая энергия указанного потока гасится при столкновении с атмосферным воздухом на внешней кромке лопастей крыльчатки 5. Здесь при взаимном столкновении потоков воздух мгновенно уплотняется, что способствует лучшему его удалению при помощи центробежной силы через боковую ометаемую поверхность крыльчатки 5. Затраты мощности на организацию данного процесса, в основном, определяются скоростью воздуха непосредственно перед адиабатическим расширением на верхней границе рабочей зоны крыльчатки 5. Однако если боковая ометаемая поверхность оказывается по площади меньше торцевой ометаемой поверхности, то средняя скорость отходящего из рабочей зоны воздуха по уравнению неразрывности окажется больше, чем скорость втекающего воздуха. Тогда затрачиваемая мощность будет определяться скоростью отходящего воздуха. Вследствие этого затраты мощности возрастут и КПД движителя снизится. Поэтому важно, чтобы боковая ометаемая поверхность крыльчатки 5 была намного больше, чем торцевая ометаемая поверхность. Подъемная сила движителя 3 будет образовываться за счет разности атмосферного давления, действующего на нижнюю часть движителя 3, и давления в рабочей зоне крыльчатки 5. Нижняя часть центробежного движителя 3 может, в принципе, иметь любую форму при условии, что при ее вращении не создается значительный центробежный поток воздуха. Небольшое движение воздуха, вызываемое трением между воздухом и поверхностью вращающейся нижней части корпуса движителя 3, и связанное с этим снижение давления на нижнюю часть корпуса движителя 3, не имеет большого значения. Снижение давления в пространстве между движителем 3 и двигателем компенсируется за счет давления более спокойного атмосферного воздуха на нижнюю часть корпуса двигателя. Но текущее атмосферное давление будет существенно влиять на величину подъемной силы центробежного воздушного движителя 3. Чем выше будет давление, тем больше будет подъемная сила. Из этого следует, что летательный аппарат с указанным типом движителей будет лучше летать на более низких высотах и на относительно небольших скоростях, при этом даст большую, чем у вертолета, дальность полета и длительность пребывания в воздухе, и меньших, чем у локомоскайнера, габаритах летательного аппарата.