ВИНТОКРЫЛЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
ROTORCRAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение имеет отношение к винтокрылым летательным аппаратам (ВКЛА) и касается в частности вертолетов.
Уровень техники
Вертолет, несмотря на его широкое использование во многих отраслях народного хозяйства, в качестве пассажирского транспортного средства находит ограниченное применение.
Это связано с тем, что вертолет значительно уступает самолету по уровню эксплуатационных расходов, а также по уровню комфорта для пассажиров.
На уровень комфорта для пассажиров отрицательно влияет вибрация фюзеляжа, генерируемая лопастями несущего винта (НВ) при поступательном полете вертолета.
По данным американской фирмы Сикорский примерно 50% отказов систем и оборудования вертолета наступает из-за высокого уровня вибраций (Исследования по уменьшению вибрации вертолета. Обзоры. М.: ЦАГИ, 1984, №632, c. 1, [1]).
Существуют следующие способы уменьшения вибраций на вертолете.
Первый. Динамические гасители колебаний (ДГК), размещенные на втулке НВ или лопастях НВ. ДГК достаточно широко используются на серийных вертолетах.
Недостаток ДГК: увеличение взлетного веса вертолета.
Например, на вертолете СН-3 американской фирмы Сикорский вес вертолета при установке ДГК увеличился на 0,6% ([1], с. 4).
Второй. Искусственное возбуждение сил, противодействующих внешним гармоническим нагрузкам, в результате чего подавляются колебания соответствующей частоты.
Недостатки такого способа снижения вибраций вертолета: сложность такой системы, так как для управления внешним гармоническим нагрузкам необходима специальная адаптационная система, следящая за изменением условий полета и контролирующая уровень противодействующих сил; значительное увеличение взлетного веса вертолета.
Например, вес инерционных виброгасителей у вертолета продольной схемы СН-47С американской фирмы Боинг-Вертол составляет 2,6% от взлетного веса вертолета (Тищенко М.Н. и др. Вертолеты. Выбор параметров при проектировании. М.: Машиностроение, 1978, с. 120, [2]).
Третий. Американская фирма Белл на своих вертолетах с двухлопастными НВ использует подвеску главного редуктора (ГР) к фюзеляжу посредством «узловой балки», которая обеспечивает изоляцию фюзеляжа в определенном диапазоне частот колебаний. Это позволяет уменьшить уровень вибраций на вертолете.
Недостаток такого решения: вес конструкции этой системы может составлять 6% от взлетного веса вертолета (Михеев Р.А., Скулков Д.Д. Вибрации вертолета и средства их гашения. М.: МАИ, 1993. с. 32, [3]).
Четвертый. Изоляция фюзеляжа от вибраций НВ путем установки ГР на упругой опоре, в результате чего вибрации, вызванные колебанием лопастей НВ, передаются на фюзеляж лишь частично, чем и осуществляется защита от вибрации всех объектов, находящихся внутри фюзеляжа (экипажа, пассажиров, приборов и др.).
Недостаток такого решения. С уменьшением жесткости связи НВ и фюзеляжа, силы, действующие на фюзеляж, уменьшаются. Однако, при малой жесткости этой связи воздействие больших сил на втулку НВ (например, при маневрах с перегрузкой >1) вызывает большие перемещения ГР относительно фюзеляжа, что может привести к нарушению нормальной работы трансмиссии и системы управления. Поэтому такие решения приемлемы в ограниченных пределах.
У известных вертолетов, например, одновинтовой схемы с механическим приводом НВ и рулевым винтом (РВ), ГР и двигатель крепятся к фюзеляжу независимо друг от друга. При этом ГР соединен с двигателем и РВ механической трансмиссией (посредством трансмиссионных валов и муфт).
Например, у известного отечественного двухдвигательного вертолета одновинтовой схемы Ми-6 каждый турбовальный двигатель (ТВД), расположенный спереди от ГР, крепится своими передним и задним опорами к потолочной панели фюзеляжа (Далин В.Н., Курочкин Ф.П. Конструирование агрегатов вертолета. М.: МАИ, 1984. с. 186-187, рис. 7.7, [4]).
Известен отечественный двухдвигательный вертолет одновинтовой схемы Ми-8 ([4], С. 189÷190, рис. 7.12), у которого каждый ТВД, расположенный спереди от ГР, имеет три опоры. Двумя передними опорами двигатель крепится к потолочной панели фюзеляжа. Третья (задняя) опора двигателя, выполненная в виде шаровой опоры, крепится непосредственно к корпусу ГР. ГР прикреплен к фюзеляжу посредством подредукторной фермы. Таким образом, у вертолета Ми-8 каждый двигатель частично крепится непосредственно к фюзеляжу, а частично крепится непосредственно к корпусу ГР.
Аналогичным образом два ТВД (те же, что и на вышеуказанном вертолете Ми-8) крепятся на другом известном отечественном вертолете соосной схемы Ка-32А (Вертолет Ка-32А. Руководство по технической эксплуатации. Книга 2, Часть 2, Силовая установка, 1993, с. 1 и 2, рис. 1, [5]).
У некоторых известных вертолетов забор воздуха в двигатель осуществляется не непосредственно из окружающей атмосферы, а из-под капотного пространства, в котором установлен двигатель и ГР. У этих вертолетов в передней части капота имеется воздухозаборник, конструктивно не связанный с воздухозаборником двигателя, через который воздух из атмосферы поступает в подкапотное пространство.
Например, из (Шунков В.Н. Боевые вертолеты. Минск.: Харвест, 1998, с. 139, [6]) известен германо-японский вертолет ВК-117, у которого воздух из окружающей атмосферы поступает в подкапотное пространство через боковые воздухозаборники. Под капотом установлены ГР и два двигателя. Двигатели забирают воздух из-под капотного пространства из общего коллектора с фильтром.
Из (Ружицкий Е.И. Зарубежные вертолеты, М.: Астрель, с. 235, [7]) известен американский вертолет MD-520N, у которого воздухозаборник двигателя размещен в обтекателе за валом НВ и закрыт сеткой.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является вышеуказанный отечественный вертолет одновинтовой схемы Ми-8.
Недостаток прототипа: по уровню комфорта для пассажиров он не имеет преимуществ перед другими известными вертолетами.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является устранение недостатка прототипа.
Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для специалиста, сведущего в соответствующей области техники, поскольку у прототипа и у других известных аналогов она не решена.
Заявляемое изобретение, в одном из возможных вариантов его исполнения, имеет следующие общие с прототипом существенные признаки: винтокрылый летательный аппарат, имеет фюзеляж, по меньшей мере, один несущий винт, по меньшей мере один двигатель, двигатель и несущий винт соединены между собой посредством главного редуктора.
Отличительными от прототипа существенными признаками являются: вышеуказанный двигатель всеми своими опорами прикреплен к корпусу главного редуктора, например, посредством фермы, вышеуказанный несущий винт, главный редуктор и двигатель представляют собой отдельную часть-модуль, которая прикреплена к вышеуказанному фюзеляжу посредством упругой подвески, например, жидкостно-газового типа.
Принятое в заявляемом изобретении крепление двигателя к корпусу главного редуктора не вызывает на любых режимах полета вертолета больших перемещений двигателя и главного редуктора друг относительно друга, что не приводит к нарушению нормальной работы трансмиссии, соединяющей двигатель и главный редуктор. С другой стороны, крепление главного редуктора к фюзеляжу посредством упругой подвески позволяет радикально уменьшить уровень вибраций фюзеляжа вертолета (в пассажирской кабине) до любого требуемого уровня, что повышает уровень комфорта для пассажиров до уровня, свойственного пассажирским самолетам.
При этом, между конструкциями двигателя, главного редуктора и валом несущего винта (включая автомат перекоса), с одной стороны, и конструкцией капота (который прикреплен неподвижно к фюзеляжу, и в котором установлены двигатель, главный редуктор и вал НВ), с другой стороны, имеются зазоры требуемой величины (чтобы вышеуказанные конструкции на любых режимах полета вертолета не задевали друг за друга).
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 показано заявляемое изобретение в варианте вертолета одновинтовой схемы с РВ. На ФИГ. 1 обозначено: 1 - фюзеляж; 2 - ГР; 3 - ТВД; 4 - хвостовая балка; 5 - вал НВ; 6 - втулка НВ; 7 и 8 - лопасти НВ; 9 - РВ; 10 - капот, неподвижно прикрепленный к ГР 2; 11 - зализ-адаптер (гибкое ограждение); 12 и 13 - стержни двигательной фермы; 14 и 15 - упругая подвеска (амортизаторы); 16 - сопло ТВД 3.
На ФИГ. 2 показан вариант исполнения заявляемого изобретения, отличающийся от показанного на ФИГ. 1 тем, что у него капот 10 неподвижно прикреплен к фюзеляжу 1. На ФИГ. 2 обозначено: 17 - воздухозаборник ТВД 3; 18 - воздухозаборник капота 10. Остальные обозначения те же, что и на ФИГ.1.
На ФИГ. 3 показан вариант исполнения заявляемого изобретения, отличающийся от показанного на ФИГ. 2 тем, что у него два ТВД 19 и 20 (на фигуре показан только двигатель 19) прикреплены к хвостовой балке 4 слева и справа от оси симметрии вертолета. Остальные обозначения те же, что и на ФИГ. 2.
Осуществление изобретения
Заявляемый вертолет, в одном из возможных вариантов его исполнения (ФИГ. 1), выполнен по одновинтовой схеме с рулевым винтом. Заявляемый вертолет имеет, фюзеляж 1, главный редуктор 2, прикрепленный (упруго) к фюзеляжу 1 посредством упругой подвески 14 и 15 (амортизаторов, задача которых поглощение и рассеивание энергии колебаний, идущих от лопастей несущего винта 7 и 8 к фюзеляжу 1). Имеется один турбовальный двигатель 3 с соплом 16, прикрепленный (жестко) всеми своими опорами спереди к корпусу главного редуктора 2. При этом задняя опора двигателя 3 непосредственно прикреплена к корпусу главного редуктора 2 (например, как это имеет место у вышеуказанного отечественного вертолета Ми-8), а передние опоры двигателя 3 прикреплены к корпусу главного редуктора 2 посредством стержней 12 и 13 фермы (например, как у известных самолетов турбовинтовые двигатели крепятся к крылу самолета). Имеется хвостовая балка 4, прикрепленная (жестко) к корпусу главного редуктора 2 (любым приемлемым образом, например, посредством фланцевого соединения). Главный редуктор 2 имеет вал несущего винта 5, к которому прикреплена втулка несущего винта 6 (например, как это имеет место у известных вертолетов одновинтовой схемы с рулевым винтом). К втулке несущего винта 6 прикреплены лопасти несущего винта 7 и 8 (несущий винт может иметь любое приемлемое количество лопастей). На конце хвостовой балки 4 закреплен рулевой винт 9 (рулевой винт может иметь любое приемлемое количество лопастей). Рулевой винт 9 соединен с главным редуктором 2 посредством трансмиссии (валами и муфтами - на ФИГ. 1 не показаны), которая закреплена на хвостовой балке 4. Главный редуктор 2 и двигатель 3 со стержнями двигательной фермы 12 и 13 установлены в капоте 10, который неподвижно прикреплен (жестко) к корпусу главного редуктора 2. Имеется зализ-адаптер 11 (гибкое ограждение, установленное в зазоре между фюзеляжем 1 и капотом 10), выполненное в виде сильфона (как один из возможных вариантов исполнения). Один конец зализа-адаптера 11 неподвижно прикреплен (жестко) к капоту 10, а другой конец за счет упругости зализа-адаптера 11 прижимается к верхней поверхности фюзеляжа 1 (но может и жестко крепится к поверхности фюзеляжа 1). Зализ-адаптер 11 (например, выполненный из тонкого металлического листа, но может быть изготовлен и из любого иного приемлемого материала), с одной стороны, воспринимает все действующие на него в полете аэродинамические нагрузки и при этом сохраняет требуемую форму, с другой стороны, он деформируется при взаимных перемещениях фюзеляжа 1 и главного редуктора 2 (с капотом 10), при этом не разрушаясь.
Таким образом, заявляемый вертолет состоит из двух частей-модулей, соединенных между собой посредством упругой подвески 14 и 15 (посредством амортизаторов 14 и 15). Первая часть-модуль - это фюзеляж 1 с размещенными в нем экипажем, пассажирами и оборудованием. Вторая часть-модуль - это все остальные агрегаты вертолета, показанные на ФИГ. 1.
Заявляемый вертолет имеет электродистанционную систему управления. При этом управляющие электрические сигналы с фюзеляжа 1 на ГР 2 (и далее к гидроцилиндрам системы управления вертолетом - на ФИГ. 1 не показаны) передаются по проводам, например, выполненным в районе упругой подвески (амортизаторов) 14 и 15 в виде пружины. Топливо из фюзеляжных топливных баков (на ФИГ. 1 не показаны) к ТВД 3, на участке между фюзеляжем 1 и ГР 2, передается посредством гибких резиновых шлангов, например, выполненным в районе упругой подвески (амортизаторов) 14 и 15 в виде пружины. Теплообменники и иные агрегаты (на ФИГ. 1 не показаны), необходимые для работы ТВД 3 и ГР 2, крепятся к корпусу ГР 2 (но могут крепиться и к фюзеляжу 1 - например, теплообменник ТВД 3 может быть прикреплен к фюзеляжу 1, а масляные магистрали, соединяющие ТВД 3 и теплообменник на участке между фюзеляжем 1 и ГР 2, имеют гибкие резиновые шланги, например, выполненным в районе упругой подвески (амортизаторов) 14 и 15 в виде пружины).
Таким образом, на отдельную часть-модуль (включающую в себя все агрегаты, за исключением фюзеляжа 1 (и размещенных в нем экипажа, пассажиров и оборудования)), с фюзеляжа 1 передаются только управляющие электрические сигналы и топливо (а в обратном направлении - передаются электрические сигналы от датчиков, расположенных на ТВД 3 и ГР 2).
Имеются также все остальные агрегаты и оборудование, необходимые для полета вертолета, которые не влияют на принципиальную возможность реализации заявляемого изобретения, а поэтому здесь не перечисляются.
На всех режимах полета заявляемого вертолета ТВД 3 забирает воздух через свой воздухозаборник непосредственно из окружающей атмосферы. Принятое в заявляемом вертолете жесткое крепление ТВД 3 непосредственно к корпусу ГР 2 на любых режимах полета вертолета не вызывает больших перемещений ТВД 3 и ГР 2 друг относительно друга, что не приводит к нарушению нормальной работы трансмиссии, соединяющей ТВД 3 и ГР 2. Принятое в заявляемом вертолете жесткое крепление хвостовой балки 4 непосредственно к корпусу ГР 2 на любых режимах полета вертолета не приводит к нарушению нормальной работы трансмиссии, соединяющей ГР 2 и РВ 9.
С другой стороны, за счет крепления ГР 2 (к которому посредством вала НВ 5 прикреплена втулка НВ 6 с лопастями НВ 7 и 8) к фюзеляжу 1 посредством упругой подвески 14 и 15 (амортизаторов 14 и 15), вибрации, генерируемые лопастями НВ 7 и 8 при поступательном полете заявляемого вертолета не передаются на фюзеляж 1 (фюзеляж виброизолирован от ГР 2). Это позволяет радикально уменьшить уровень вибраций фюзеляжа 1 (в том числе вибрации в пассажирской кабине) до любого требуемого уровня (например, до уровня, свойственного известным легковым автомобилям), а также снизить усталостные напряжения в элементах конструкции фюзеляжа 1 и увеличить срок службы оборудования (электронного, радионавигационного и др.), размещенного в фюзеляже 1. При этом, так как заявляемый вертолет имеет электродистанционную систему управления, то перемещения ГР 2 и фюзеляжа 1 друг относительно друга не приводят к нарушению ее нормальной работы, так как управляющие электрические сигналы с фюзеляжа 1 на ГР2 (и далее к гидроцилиндрам системы управления) передаются по проводам, выполненным в районе упругой подвески 14 и 15 в виде пружины, которая может удлиняться и укорачиваться. Управляющие сигналы могут передаваться и по оптическому кабелю (или любым иным приемлемым способом). Перемещения ГР 2 (а, следовательно, и ТВД 3) и фюзеляжа 1 друг относительно друга не влияют на нормальную работу топливной системы ТВД 3, так как топливо из фюзеляжных топливных баков к ТВД 3, на участке между фюзеляжем 1 и ГР 2, передается посредством гибких резиновых шлангов, выполненных в районе упругой подвески 14 и 15 в виде пружины, которая может удлиняться и укорачиваться.
Таким образом, в заявляемом изобретении перемещения ГР 2 и фюзеляжа 1 друг относительно друга не приводят к нарушению нормальной работы ни одной из систем вертолета.
Зализ-адаптер 11 на всех режимах полета заявляемого вертолета воспринимает внешние аэродинамические нагрузки от набегающего потока, сохраняя свою требуемую форму. При этом, при взаимных перемещениях фюзеляж 1 и ГР 2 друг относительно друга, зализ-адаптер 11 деформируется (без разрушения), сохраняя свою требуемую форму.
Примененное в заявляемом изобретении жесткое крепление ТВД 3 к корпусу ГР 2 не представляет никаких технических трудностей, так как у известных вертолетов (например, у вышеуказанного отечественного вертолета Ми-8) к корпусу ГР крепится в десять и более раз больший по весу груз (фюзеляж со всеми агрегатами и системами, включая двигатели), по сравнению с ТВД 3. Разумеется, в заявляемом изобретении у корпуса ГР 2 заранее должны быть предусмотрены узлы для крепления к нему ТВД 3 (как у известных вертолетов у корпуса ГР заранее предусмотрены узлы для крепления к нему фюзеляжа).
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения (ФИГ. 2), отличающийся от показанного на ФИГ.1 варианта тем, что у него капот 10 неподвижно прикреплен (жестко) к фюзеляжу 1. При этом, между конструкцией ТВД 3, ГР 2 и хвостовой балки 4 с одной стороны, и конструкцией капота 10 с другой стороны, имеются зазоры требуемой величины. В передней части капота 10 имеется воздухозаборник 18. Воздухозаборник 17 двигателя 3 конструктивно не связан с вышеуказанным воздухозаборником 18 капота 10. Между валом НВ 5 (включая автомат перекоса - на ФИГ.2 не показан) и конструкцией капота 10 имеются зазоры требуемой величины.
В таком варианте исполнения заявляемого вертолета на всех его режимах полета воздух из окружающей атмосферы в подкапотное пространство поступает через воздухозаборник 18 капота 10. ТВД 3 через свой воздухозаборник 17 непосредственно из-под капотного пространства (на входе в воздухозаборник 17 двигателя 3 установлена сетка, например, как у вышеуказанного вертолета ВК-117) забирает часть воздуха, поступившего через воздухозаборник 18 в подкапотное пространство (остальная часть воздуха, поступившего через воздухозаборник 18 в подкапотное пространство, через зазоры между хвостовой балкой 4 и капотом 10 выходит в окружающую атмосферу). Принятое в заявляемом вертолете жесткое крепление ТВД 3 и хвостовой балки 4 непосредственно к корпусу ГР 2 на любых режимах полета не вызывает больших перемещений ТВД 3 и хвостовой балки 4 относительно ГР 2, что не приводит к нарушению нормальной работы трансмиссии, соединяющей ТВД 3 и хвостовую балку 4 с ГР 2. Зазоры между конструкцией ТВД 3, хвостовой балки 4 и ГР 2, с одной стороны, и конструкцией капота 10 (который жестко прикреплен к фюзеляжу 1 вертолета), с другой стороны, имеют такую величину, что при их взаимном перемещении (на всех режимах полета заявляемого вертолета) они не касаются друг друга.
Возможен вариант исполнения заявляемого вертолета (ФИГ. 3), отличающийся от показанных на ФИГ.2 тем, что у него два ТВД 19 и 20 (но может быть и один или более двух) прикреплены к хвостовой балке 4.
Возможен вариант исполнения заявляемого вертолета, когда он выполнен по соосной схеме. В этом варианте хвостовая балка (если она имеется) может крепиться или к корпусу ГР или непосредственно к фюзеляжу.
Заявляемый вертолет может быть выполнен по любой приемлемой схеме: одновинтовой; соосной; с перекрещивающимися несущими винтами («синхроптер»); поперечной и др.
При выполнении заявляемого изобретения по одновинтовой схеме, он может быть выполнен: с рулевым винтом (как рассмотрено выше); с фенестроном; по схеме NOTAR (например, как у известного американского вертолета MD-520N) и др.
Заявляемое изобретение может быть выполнено как с механическим приводом НВ (как в рассмотренных выше вариантах), так и с иным приводом НВ, например, реактивным. При этом, в последнем случае главного редуктора как такового нет, но есть агрегат, к которому прикреплен вал НВ. К этому агрегату прикреплен (жестко) двигатель (газогенератор, снабжающий реактивные сопла, размещенные на концах лопастей НВ, рабочим газом). Сам этот агрегат прикреплен к фюзеляжу посредством вышеуказанной упругой подвески.
Заявляемое изобретение может иметь любое приемлемое количество двигателей любого типа: ТВД; поршневые двигатели внутреннего сгорания; электродвигатели; и др. Двигатели могут располагаться в любом приемлемом месте по отношению к ГР (спереди, сзади, слева, справа, и др.).
В заявляемом изобретении двигатель может жестко крепиться к корпусу ГР любым приемлемым способом: посредством фермы (как рассмотрено выше); посредством балки; и др. Например, возможен вариант, отличающийся от рассмотренного выше тем, что двигатель закреплен на хвостовой балке (то есть в этом случае двигатель жестко крепится к корпусу ГР посредством хвостовой балки, которая жестко прикреплена к корпусу ГР). Таким образом, двигатель может жестко крепится к корпусу ГР или непосредственно или посредством других деталей (в частности, посредством хвостовой балки).
В заявляемом изобретении ГР может крепиться к фюзеляжу при помощи упругой подвески (амортизаторов) любого приемлемого типа: жидкостно-газовой; резиновой; пружинной; комбинацией из вышеуказанного; и др.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, когда у него двигатель (всеми своими опорами) жестко прикреплен к корпусу ГР, а сам ГР прикреплен к фюзеляжу жестко. Конечно, в этом случае вибрации фюзеляжа не удастся снизить, однако такое техническое решение может представлять некоторые эксплуатационные преимущества. Например, можно выполнить ГР и двигатель в качестве единой съемной части-модуля, что дает известные эксплуатационные преимущества.
В заявляемом изобретении вышеуказанная отдельная часть-модуль (включающая в себя НВ, двигатель (или двигатели), ГР, хвостовую балку с рулевым винтом и его трансмиссией) может крепиться к фюзеляжу любым приемлемым количеством опор (амортизаторов): тремя опорами; четырьмя опорами; и др.
Заявляемый вертолет может не иметь фюзеляжа как такового - имеет гондолу для полезной нагрузки.
Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, отличающийся от рассмотренных выше тем, что у него нет ГР как такового. В этом случае вал двигателя непосредственно соединен с валом НВ, при прочих равных условиях. В этом случае двигатель прикреплен к фюзеляжу посредством упругой подвески (амортизаторов).
В заявляемом изобретении отдельная часть-модуль фюзеляж и другая отдельная часть-модуль (включающая в себя НВ, двигатель, хвостовую балку, РВ) могут совершенствоваться независимо друг от друга, что представляет известные преимущества.