Устройство сверхлегкого складного автожира
ULTRALIGHT FOLDABLE GYROPLANE DESIGN

Изобретение относится к авиации, в частности к автожирам, а именно, к устройству сверхлегких складных автожиров.
Автожиры изобрел испанский инженер Хуан де ла Сиерва в 1919 году, его автожир С-4 совершил свой первый полет 9 января 1923 года. Основное развитие теория автожиров получила в 1930-е годы. Новый этап интереса к автожирам начался в конце 1950-х - начале 1960-х годов. В эти годы американец Игорь Бенсен разработал удачную конструкцию простейшего легкого одноместного автожира, который позже начали продавать в виде наборов для самостоятельной сборки. Они были доступны по цене широкому кругу желающих.
В России разработками легких автожиров в настоящее время занимаются несколько групп и предприятий: «ИАПО» - модель А002 «Иркут», «Аэро-Астра» - модель «Охотник» «Твистер-клуб» - модель «Твист», «АвиаМастер» - модель «Инспектор». Свою лепту в развитие автожирного направления постоянно вносят многочисленные энтузиасты.
Преимущества легких автожиров:
- простота конструкции;
- высокая безопасность полетов на малых и больших высотах;
- сравнительная легкость в обучении и управлении;
- маневренность на разворотах и в полете (разворот на 180 град, занимает 1-2 с);
- отсутствие сваливания;
- отсутствие вибраций по сравнению с вертолетом;
- хороший обзор;
- широкий диапазон эксплуатационных скоростей полета (от 25 до 200 км/час);
- короткий разбег (при ветре 7-8 м/сек - без разбега);
- короткий пробег при посадке (0-5 м);
- отсутствие проблем с безопасностью при отказе двигателя на любом этапе полета;
- хорошая демпфирующая реакция на турбулентность и порывистый ветер;
- меньшая чувствительность к термическим потокам, чем у дельтапланов и парапланов;
- возможность круглогодичного использования;
- нетребовательность к состоянию посадочных площадок.
Некоторые автожиры могут выполнять прыжковый взлет. При этом лопасти несущего винта устанавливаются на малый общий шаг, винт раскручивается до оборотов, превышающих номинальные полетные. Затем шаг лопастей резко увеличивают до полетного. Взлет происходит за счет накопленной кинетической энергии винта. Осуществление такой схемы требует значительного усложнения конструкции втулки ротора и утяжеления лопастей, поэтому автожиры с прыжковым взлетом мало распространены.
Большинство современных автожиров оснащены системой предварительной раскрутки автожирного винта. Ротор винта через передачу от маршевого двигателя или от отдельного привода раскручивается до момента начала разбега автожира. Предварительная раскрутка значительно сокращает длину разбега автожира перед взлетом, а при встречном ветре 7-8 м/с (~25-29 км/ч) взлет происходит практически с места.
При проектировании автожиров должны минимизироваться риски попадания аппарата в специфические режимы полета, которые являются опасными. К ним относятся: разгрузка ротора, кувырок, мертвая зона авторотации, обледенение лопастей и некоторые другие. Эти режимы нельзя допускать при полете во избежание падения.
Кувырок характерен в основном для автожиров с расположением центра тяжести значительно ниже линии тяги маршевого винта, а также с недостаточно развитым хвостовым оперением. И то и другое недопустимо и свидетельствует о грубых ошибках, допущенных при проектировании.
Опасные режимы могут быть устранены или вероятность их появления сведена к маловероятным событиям при правильном проектировании автожира.
Полеты на автожире в условиях обледенения представляют большую опасность, поскольку при обледенении лопастей винт быстро выходит из режима авторотации, что приводит к катастрофе. При наличии обогрева передних кромок лопастей этот недостаток практически устраняется
Известны две основные схемы автожиров - с тянущим винтом (впервые применена испанцем X. Сиервой) и с толкающим (впервые применена американцем И. Бенсеном).
Преимущества схемы с тянущим винтом: лучшее охлаждение двигателя за счет обдува винтом и несколько большая безопасность при аварии с ударом носовой частью (в схеме с толкающим винтом при такой аварии двигатель, расположенный за кабиной, может завалиться вперед и травмировать пилота). В то же время, в схеме с толкающим винтом лучше обзор из кабины. У обеих схем есть и другие присущие им преимущества и недостатки.
На основе автожирного принципа полета могут создаваться сверхлегкие летательные аппараты (взлетный вес менее 115 кг), простые, компактные, технологичные с дальностью полета до 300 км и крейсерской скоростью до 170 км/ч. Лучше всего им подходит название ВЕРТОЦИКЛ. Такие технические характеристики в сочетании с возможностью складывания автожира в компактный объем с минимальными габаритами, обеспечивающими удобную транспортировку и хранение, резко расширяют сферу их применения.
Известно устройство прыгающего складного автожира (Патент на полезную модель RU №69837), у которого в конструкции предусмотрено множество шарниров для обеспечения возможности складывания аппарата при транспортировке и хранении. Излишне большое количество шарниров вызвано не оптимальностью схемы складывания, что приводит к излишкам веса и увеличивает время складывания и приведения автожира в рабочее состояние.
Известно устройство автожира мопеда (Патент RU №2007103214/22), который использует комбинацию мопеда и автожирного винта на несущей стойке с расположением силовой установки на багажнике позади сиденья пилота. Этот вариант проще в создании, но перетяжелен, неустойчив на земле и может рассматриваться только как возможная версия автожира с необычной компоновкой.
Известно устройство сверхлегкого складного автожира «Махаон» Ивана Маковки из сибирского города Минусинск www.reaa.ru/cgi-bin/yabb/Yabb.p/?num=138353434b/all. Автожир создан автором и испытан профессиональным летчиком-испытателем в полетах в 2015-2016 г.г. Отличается тем, что несущая стойка автожирного винта вместе с двигателем и толкающим винтом складывается по полету без рассоединения тяг управления. Одновременно поворачиваются лопасти на 90 градусов и тяги ферм шасси. В сложенном виде автожир «Махаон» входит в кабину авто минивена для последующей транспортировки.
Технические характеристики автожира «Махаон»:
Сухой вес автожира 87 кг.
Полезная нагрузка 90 кг.
Взлетный вес 185 кг.
Тяга толкающего винта 99 кг.
Мощность двигателя 45 л.с.
Диаметр ротора автожира 6,1 м.
Крейсерская скорость 75 км/ч.
Максимальная скорость 105 км/ч.
Запас топлива 14 л.
Расход топлива при оборотах двигателя 5000 об/мин составляет 4 л/ч.
Габариты в сложенном состоянии 2,0×1,2×0,7 м.
Автожир «Махаон» Ивана Маковки относится к первым летательным аппаратам, созданным в России, с весом конструкции меньше 115 кг. Он является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и выбран в качестве прототипа.
К недостатками автожира «Махаон» можно отнести:
- неполную реализацию возможностей снижения массы складной конструкции как в части принятой схемы аппарата, так и в части применяемых материалов;
- невозможность использования тяги двигателя для управления аппаратом и создания максимальной составляющей подъемной силы в дополнение к силе тяги автожирного винта;
- невозможность изменения полетной конфигурации аппарата с целью снижения аэродинамического сопротивления путем уборки шасси и перевода тела пилота из положения «сидя» в положение «лежа»;
- конструктивно не предусмотрена возможность поднятия в воздух пассажира при достаточной мощности двигателя;
- неиспользование тепла от системы охлаждение двигателя для обогрева пилота в холодные периоды года.
Задачей изобретения является создание оптимальной типовой конструкции сверхлегкого складного автожира, в котором устраняются перечисленные недостатки и обеспечиваются условия для получения дополнительных функциональных преимуществ, улучшающих его эксплуатационные свойства.
Задача изобретения решается тем, что предложено применить переднюю силовую установку с тянущим маршевым винтом, подвешенную на шарнирных узлах к двум или одному рычагу управления наклоном плоскости вращения автожирного винта, а схему складывания аппарата устроить таким образом, чтобы получить максимальную плотность упаковки при минимальных габаритах, а также использовать преимущества шарнирной подвески силовой установки для улучшения взлетно-посадочных характеристик и расширения эксплуатационных возможностей автожира.
Технический результат изобретения характеризуется следующими существенными признаками:
- маршевая силовая установка шарнирно подвешена к двойному или одинарному рычагу управления углом атаки и крена плоскости вращения автожирного винта и снабжена возможностью изменения направления вектора тяги маршевого винта в вертикальной плоскости путем поворота корпуса силовой установки в шарнирных узлах подвески;
- продольная подвижность рычага управления углом атаки плоскости вращения автожирного винта относительно шарнира втулки винта ограничена фиксатором и блокирована усилием тяги маршевого винта, а свобода изменения угла атаки плоскости вращения автожирного винта обеспечена свободой изменения направления вектора силы тяги маршевого винта в вертикальной плоскости относительно узлов шарнирной подвески силовой установки, при этом свобода управления по крену сохранена подвижностью рычага управления относительно шарнира втулки автожирного винта в поперечном направлении;
- при неработающей маршевой силовой установке подвижность рычага управления углом атаки плоскости вращения автожирного винта в продольном направлении разблокируется соответствующим положением фиксатора и отсутствием силы тяги маршевого винта, при этом обеспечена возможность управления автожиром в двух взаимно перпендикулярных плоскостях относительно шарниров втулки автожирного винта на режиме безмоторного полета и планирования;
- обеспечена возможность поворота вектора силы тяги винта вверх на соответствующий максимальный угол при помощи свободы поворота маршевой силовой установки в шарнирных узлах подвески с таким расчетом, чтобы при всех возможных условиях взлета горизонтальная составляющая вектора силы тяги была больше силы полного аэродинамического сопротивления автожира, а вертикальная составляющая принимала максимальное значение подъемной силы тяги;
- хвостовик узла вала раскрутки, примыкающего к угловому редуктору на маршевом двигателе снабжен элементами передачи момента, имеющими способность свободно скользить по внутреннему отверстию выходной шестерни углового редуктора, при этом длина хвостовика узла вала подбирается такой, чтобы при повороте маршевой силовой установки вверх в момент отрыва автожира от земли, когда происходит опускание углового редуктора вниз, линейного хода хвостовика карданного вала было достаточно для полного выхода его из соединения с редуктором и отвода в сторону упругим элементом конструкции;
- сидушка кресла пилота снабжена свободой перемещения из положения близкого к горизонтальному в положение близкое к вертикальному за спиной пилота, при этом несущая стойка подвески автожирного винта и задний торец сидушки шарнирно подвешенного кресла связаны между собой гибкой связью, которая обеспечивает пилоту возможность занять в полете конфигурацию «сидя» путем подтягивания закрепленных на сидушке ног к животу и способность плавного поворота тела в конфигурацию «лежа» путем контролируемого расслабления мыщц живота;
- колесные балки шасси снабжены тягами, шарнирно связанными с центральным амортизатором, шток которого после взлета автожира имеет способность принять разжатое положение, при этом шарнирные тяги обладают возможностью стягивать колесные балки в пакет, который в конфигурации пилота «лежа» располагается вдоль его тела;
- сидушка кресла пилота снабжена гибкой механической связью с передней колесной балкой, при этом длина и положение точек крепления концов механической связи рассчитываются так, чтобы в конфигурации «лежа» колесные балки имели свободу занять продольное сложенное в пакет положение, а в конфигурации «сидя» возможность принятия посадочного положения при помощи подтягивания сидушки мышцами живота и ее фиксации;
- сидушка кресла пилота выполнена удлиненной до размера, достаточного для посадки пассажира перед собой с учетом сохранения необходимых углов управления отклонением плоскости несущего винта;
- автожир снабжен разрезным эластичным чехлом с элементами для его крепления в передней и задней части каркаса конструкции, при этом продольные стыки разрезов в верхней и нижней части чехла сомкнуты эластичными жгутами и обеспечивают пилоту свободу изменения конфигурации из положения «сидя» в положение «лежа» и обратно возможностью упругого разведения стыков головой и ногами;
На Фиг. 1 показана схема компоновки сверхлегкого складного автожира с обозначением его основных элементов.
На Фиг. 2 изображен этот же автожир вместе с пилотом в конфигурации «сидя».
На Фиг. 3 изображен этот же автожир с пилотом в момент отрыва от земли при взлете с показом векторов основных действующих сил. На Фиг. 6 обозначены: G - вектор силы веса; Т - вектор силы тяги автожирного винта; Р - вектор силы тяги винта маршевого двигателя. Изображены также горизонтальные и вертикальные составляющие сил Т и Р.
На Фиг. 4 изображен этот же автожир с посадкой пассажира перед собой
На Фиг. 5 изображен этот же автожир с пилотом в конфигурации «лежа» и в обогреваемом эластичном чехле.
На Фиг. 6 изображен этот же автожир в сложенном и упакованном в контейнер виде.
Устройство сверхлегкого складного автожира включает (Фиг. 1, Фиг. 5):
Автожирный винт (1), втулку автожирного винта (2), шарниры подвески маршевой силовой установки (3), рычаг (один или два) управления наклоном плоскости вращения автожирного винта (4), спаренные шарниры продольного и поперечного управления плоскостью вращения автожирного винта (5) с фиксатором продольного управления (6), вал раскрутки автожирного винта (7), тянущий винт силовой установки (8), маршевый поршневой двигатель (9) с топливным баком под ним, композитные колесные балки шасси (10), колеса шасси (11), композитные шарнирные тяги (12) колесных балок (10), центральный амортизатор (13), композитную несущую стойку (14), композитное хвостовое оперение (15), хвостовое опорное колесо (16), композитную балку хвостового оперения (17), главный шарнир (18), композитную несущую стойку автожирного винта (19), спинку кресла пилота (20), сидушку кресла (21), гибкую связь между сидушкой и передней колесной балкой (22), гибкую связь (23) между несущей стойкой (19) и задним торцом сидушки (21), подкос (24), эластичный чехол (25).
Устройство сверхлегкого складного автожира работает следующим образом (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6):
После извлечения автожира из транспортного контейнера приведение его в состояние готовности к полету (Фиг. 1) осуществляется следующим образом:
Подкос (24), соединенный с балкой хвостового оперения (17), проушиной второго конца соединяется с несущей стойкой автожирного винта (19). Сидушка кресла пилота (21) отводится с разворотом от несущей стойки (14) до защелки заднего торца в фиксаторе. Одновременно с разворотом сидушки (21) через гибкую связь (23) несущая стойка (14), разворачиваясь относительно главного шарнира (18), притянется верхним торцом к несущей стойке автожирного винта (19), а при помощи гибкой связи (22) сидушки (21) произойдет разведение колесных балок (10) с колесами (11) в посадочное положение с выборкой части хода амортизатора (13) через шарнирные тяги (12). Далее обе лопасти (1) разворачиваются относительно шарниров втулки (2) в рабочее положение и фиксируются вторыми вставными силовыми болтами. Рычаги управления (4) также отклоняются в рабочее положение относительно корпуса втулки автожирного винта и фиксируются в нем одним вставным болтом. Путем разворота маршевого двигателя (9) в шарнирах подвески (3) создается возможность вставки нижнего конца карданного вала (7) в отверстие ведомой шестерни заднего углового редуктора двигателя (9). После этого автожир ставится на колеса и в свободный торец балки (17) вставляется и закрепляется хвостовое оперение (15) с опорным колесом (16). Автожир готов к использованию.
Перед взлетом пилот садится на сидушку (21) кресла и пристегивается ремнями (см. Фиг.1), опираясь спиной на спинку (20) (см. Фиг. 2), запускает двигатель (9), прогревает его и выруливает на старт. Затем плавно включает муфту раскрутки автожирного винта через карданный вал (7) и, увеличив режим двигателя (9) до взлетного, начинает разбег под действием тяги маршевого винта (8). Достигнув расчетной скорости отрыва пилот разворачивает корпус двигателя (9) с винтом (8) относительно шарниров подвески (3) на изменение направления вектора тяги маршевого двигателя вверх с целью увеличения угла атаки плоскости вращения автожирного винта и получения максимальной вертикальной составляющей подъемной силы (см. Фиг. 3). В момент разворота двигателя (9) задний угловой редуктор опускается вниз, а нижний торец карданного вала (7) выходит из зацепления с внутренним отверстием ведомой шестерни и отводится в сторону специальным упругим элементом, что приводит к снятию крутящего момента с автожирного винта и устранению реактивного момента на корпусе автожира. Взлет по такой схеме обеспечивает минимальную длину разбега (14-17 м) и энергичный набор высоты за счет большого избытка общей подъемный силы.
Возможен вариант, когда конструктивно не предусмотрено рассоединение карданного вала (7) с угловым редуктором двигателя (9). В этом случае передаточное отношение в трансмиссии раскрутки винта подбирается таким, чтобы в полете при работе маршевой силовой установке на крейсерском режиме, обороты автожирного винта превышали обороты, задаваемые трансмиссией раскрутки. Такое решение позволяет трансмиссии подключаться к винту в случае снижения его оборотов и осуществлять подкрутку или выключаться из режима подкрутки, когда полетные обороты винта выше оборотов трансмиссии. Реактивный момент на корпусе при этом парируется килем и созданием плеча между линией действия тяги маршевого винта и центром тяжести аппарата. В этом варианте повышается безопасность полета при попадании автожира в условия разгрузки ротора и сужается область мертвой зоны авторотации.
В случае отказа двигателя (9) пилот поворотом фиксатора (6) отводит упор ограничения продольной подвижности рычага управления (4), и этим обеспечивает полный диапазон продольного и поперечного управления наклоном плоскости вращения автожирного винта при безмоторном планировании.
При достаточном запасе мощности двигателя вместе с пилотом возможна перевозка пассажира (см. Фиг. 4), если общий вес двух человек не превышает 150 кг. Для этого конструкцией предусмотрена посадка пассажира перед собой, а сидушка (21) кресла выполняется удлиненной с зауженной передней частью и дополняется привязными ремнями для пассажира.
Пилот имеет возможность изменить в полете конфигурацию «сидя» (Фиг. 2) на конфигурацию «лежа», чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление и увеличить скорость полета. При этом происходит не только изменение положения тела пилота на близкое к горизонтальному, но и уборка колесных балок (10) шасси назад по полету. Обратный переход из конфигурации «лежа» в конфигурацию «сидя» сопровождается выпуском колесных балок (10) шасси в предпосадочное положение. В цикле изменения конфигурации используется подвижность кресла пилота в целом относительно главного шарнира (18), подвижность сидушки (21) относительно несущей стойки (14), подвижность колесных балок (10) и шарнирных тяг (12) относительно амортизатора (13) и гибкие связи (21), (23).
В полете перед изменением конфигурации «сидя» в конфигурацию «лежа» пилот напрягает мышцы живота и снимает фиксацию сидушки (21), освобождая ее задний торец для движения вверх вдоль несущей стойки (14). Постепенно расслабляя мышцы живота и распрямляя голени ног вдоль линии несущей стойки (14) пилот разворачивает сидушку (21) из положения близкого к горизонтальному в положение близкое к вертикальному за спиной пилота. При этом гибкая связь (22) не препятствует повороту колесных балок (10) и шарнирных тяг (12) в пакетное положение вдоль несущей стойки (14) по действием разжимающей силы центрального амортизатора (13). Процесс управляемого распрямления ног пилота сопровождается разворотом всего тела со сложенным креслом и колесными балками (10) относительно главного шарнира (18) в положение близкое к горизонтальному, которое выражает собой конфигурацию «лежа». Гибкая связь (23) удлиняется пропорционально движению заднего тора сидушки (21), не препятствуя развороту.
Перед изменением конфигурации «лежа» в конфигурацию «сидя» пилот напрягает мышцы живота и подтягивает голени ног. При этом происходит разворот сидушки (21), задний торец которой связан гибкой связью (23) с несущей стойкой (19) автожирного винта, поэтому вместе с разворотом сидушки (21), одновременно, происходит обратный разворот всего кресла относительно главного шарнира (18). В то же время гибкая связь (22) при развороте сидушки (21) подтягивает переднюю и вместе с ней через шарнирные тяги (12) задние колесные балки (10) шасси в выпущенное посадочное положение, выбирая часть хода амортизатора (13) с небольшим усилием сопротивления. В конечном положении разворота сидушка (21) становится на защелку фиксатора, завершая переход в конфигурацию «сидя».
Весь процесс изменения конфигураций занимает по времени несколько секунд.
Для лучшей обтекаемости внешних обводов автожира в конфигурации «лежа», а также для создания внутреннего объема, обогреваемого от двигателя (9) при полетах в холодное время года, предусмотрено использование разрезного эластичного чехла (25) Фиг. 5. Чехол фиксируется элементами крепления в передней и задней части конструкции автожира и имеет разрезные стыки в верхней и нижней части. Границы разрезов снабжены эластичными продольными жгутами, смыкающими стыки силой своей упругости. Щели в зоне выступающей части пакета колесных балок (10) в убранном положении являются выпускными каналами для проточного воздуха. При изменении конфигурации «лежа» в конфигурацию «сидя» пилот головой и ногами раздвигает стыки и в конечном положении часть тела от плеча до сидушки (21) остается в чехле. При обратном изменении конфигурации тело пилота полностью оказывается в чехле, а эластичные жгуты закрывают стыки разрезов чехла, создавая внутренний обогреваемый объем с небольшим наддувом от маршевого винта. Наддув эластичного чехла уменьшает неровности его поверхности и улучшает обтекаемость, снижает аэродинамическое сопротивление автожира, повышает его качество до 5-6 и тем самым позволяет достичь максимальных скоростей крейсерского полета.
После использования автожир складывается и помещается в мягкий или жесткий контейнер (см. Фиг. 6) с габаритами 2,5×0,5×0,52 м, что по объему в 2,6 раза меньше чем у прототипа - автожира «Махаон». Последовательность складывания в порядке обратном, описанному выше. Достигнутая плотность упаковки и габаритные размеры контейнера являются наименьшими из известных в настоящее время.
С учетом возможности компактного хранения в ограниченном пространстве и благодаря своим летно-техническим и эксплуатационным характеристикам, заявленный в изобретении сверхлегкий складной автожир оптимально приспособлен для широкого применения в качестве:
- транспортного средства для оперативной связи в войсках на дальностях до 300 км;
- боевого транспортного и истребительного средства для десантных подразделений;
- транспортного средства для подразделений сил быстрого реагирования;
- средства боевого патрулирования объектов на высотах до 4-х км с двумя ПЗРК;
- штатного связного и спасательного средства для кораблей и подводных лодок;
- спасательного средства для команд МЧС, действующих в экстремальных условиях;
- средства для транспортной связи в труднодоступных регионах и северных территориях;
- транспортного средства для геологов, исследователей и полиции;
- средства для мониторинга нефтепроводов, газопроводов и высоковольтных линий;
- средства для оказания скорой медицинской помощи удаленному населению;
- транспортного средства для доставки срочных грузов;
- транспортного средства для частного использования.
Устройство сверхлегкого складного автожира позволило:
- реализовать возможности снижения массы складной конструкции как в части принятой схемы аппарата, так и в части применения легких, прочных композитных материалов;
- обеспечить использование тяги двигателя для управления аппаратом и создания максимальной составляющей подъемной силы в дополнение к силе тяги автожирного винта;
- создать возможность изменения полетной конфигурации аппарата с целью снижения аэродинамического сопротивления путем уборки шасси и перевода тела пилота из положения «сидя» в положение «лежа»;
- обеспечить конструктивную возможность поднятия в воздух пассажира при достаточной мощности двигателя;
- создать условия для использования тепла от системы охлаждения двигателя для обогрева пилота в холодные периоды года, путем применения разрезного эластичного чехла;
- обеспечить минимальные из известных габаритные размеры контейнера для сложенного автожира за счет совершенства несущей конструкции и плотности схемы складывания.