ВИНТОКРЫЛЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С АВТОРОТИРУЮЩИМ НЕСУЩИМ ВИНТОМ И КРЫЛОМ

Предлагаемое техническое решение полезной модели относится к области авиации, в частности, к вертолетостроению и направлено на создание винтокрылого летательного аппарата с увеличенными значениями аэродинамического качества, крейсерской скорости и дальности полета по сравнению с вертолетами.
К винтокрылым летательным аппаратам относятся вертолеты и винтокрылы [1, стр.138]. Данные аппараты объединяет то, что для выполнения вертикального взлета и посадки на них используются несущие винты, приводимые во вращение двигателями. Передача крутящего момента от двигателей на несущий винт, как правило, осуществляется с помощью трансмиссии.
Известен состав трансмиссии вертолетов, представляющий совокупность агрегатов и узлов [1, стр.574], и их весовые данные [2]. Трансмиссия значительно увеличивает вес пустого вертолета и существенно уменьшает по сравнению с самолетом его весовую отдачу и полезную нагрузку. Высоко нагруженные агрегаты трансмисси имеют ограниченный ресурс, требуют постоянного контроля, выполнения восстановительного ремонта и замены в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость жизненного цикла вертолета.
Полет вертолета на больших скоростях сопровождается интенсивным ростом волнового сопротивления на концевых сечениях наступающих лопастей несущего винта, что требует существенных нерациональных затрат мощности двигателей. Поэтому на современных вертолетах удалось реализовать максимальное значение эквивалентного аэродинамического качества (Кэкв. макс) ~5 единиц на скорости ~230 км/ч [3]. Крейсерские скорости вертолетов достигают значений около 280 км/ч, а дальности полета не превышает 800 км [1, стр.130].
На винтокрылах планировалось увеличить аэродинамическое качество, крейсерскую скорость и дальность полета за счет уменьшения профильного сопротивления несущих винтов путем перераспределения создания подъемной силы в пользу крыла, обладающего меньшим профильным сопротивлением. Однако добиться ожидаемого эффекта с ростом скорости полета не удалось из-за значительно увеличившегося профильного сопротивления несущих винтов вследствие возросших скоростей воздушного потока, обтекающего их наступающие лопасти, а также из-за существенно увеличившегося волнового сопротивления концевых сечений лопастей. Это подтверждается незначительным, по сравнению с вертолетами, увеличением Кэкв. макс до -5,5 единиц на скорости полета ~250 км/ч [3]. Данный результат, а также сложность конструкции винтокрылов не позволили осуществить их серийное производство.
Известны экспериментальные винтокрылы Ка-22 ОКБ имени Н.И.Камова и «Ротодайн» английской фирмы «Фейри».
На винтокрыле Ка-22 передача крутящего момента от двигателей на несущие винты осуществлялась, как и на вертолете, с помощью трансмиссии. Все недостатки, обусловленные наличием вертолетного несущего винта и трансмиссии, присущи также и винтокрылу Ка-22.
По совокупности отличительных признаков наиболее близким является техническое решение винтокрыла «Ротодайн» [4].
В известном техническом решении винтокрылый летательный аппарат имеет несущий винт вертолетного типа и крыло, турбовинтовые двигатели с нереверсивными воздушными винтами (пропеллерами) изменяемого шага, фюзеляж, хвостовое оперение самолетного типа и вертолетно-самолетную систему управления. Несущий винт на вертолетных режимах обеспечивает вертикальный взлет, висение и вертикальную посадку. Крыло на крейсерской скорости горизонтального полета разгружает несущий винт до 60% с целью уменьшения его профильного сопротивления. Величина подъемной силы крыла, разгружающая несущий винт, зависит, в основном, от выбора сочетания его размаха, площади и характеристик профилей.
Для реализации на винтокрылом летательном аппарате вертолетных режимов полета применяется газодинамический привод несущего винта. Газодинамический привод включает камеру сгорания топлива (реактивное сопло) на конце каждой из лопастей несущего винта, газогенераторы сжатого воздуха сопряженные с двигателями; трубопроводы подачи воздуха и топлива, проложенные в планере, втулке и лопастях несущего винта; систему управления работой камер сгорания топлива. По весовым, стоимостным затратам и сложности конструкции газодинамический привод несущего винта не имеет преимуществ по сравнению с трансмиссиями винтокрылых летательных аппаратов. Поэтому газодинамический привод несущего винта не нашел применения в мировой практике вертолетостроения.
Вертикальный взлет винтокрылого летательного аппарата не отличается от вертикального взлета вертолета.
После взлета винтокрылого летательного аппарата рычаги управления двигателями переводятся в заданное положение для установки необходимого режима работы с целью создания потребной величины силы тяги воздушными винтами. Затем на заданной скорости полета газодинамический привод выключается, а несущий винт продолжает работу на режиме авторотации, подобно работе несущего винта автожира, получая вращение за счет энергии набегающего потока воздуха.
Перед заходом на посадку на заданной скорости газодинамический привод вновь включается для вращения несущего винта на вертолетных режимах. Вертикальная посадка винтокрылого летательного аппарата не отличается от вертикальной посадки вертолета.
Основным проблемным вопросом винтокрылого летательного аппарата является интенсивный рост профильного сопротивления несущего винта с увеличением скорости полета, не позволяющий превзойти эквивалентное аэродинамическое качество, крейсерскую скорость и дальность полета вертолета. Другим недостатком прототипа является сложность его конструкции и относительно большой вес пустого аппарата из-за применения газодинамического привода несущего винта, что значительно уменьшает его весовую отдачу и полезную нагрузку.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание винтокрылого летательного аппарата, способного осуществлять взлет-посадку без разбега-пробега, превосходящего вертолет по величине аэродинамического качества, крейсерской скорости и дальности полета.
Технический результат обеспечивается тем, что в известном винтокрылом летательном аппарате, содержащем несущий винт, турбовинтовые двигатели с воздушными винтами изменяемого шага, крыло, фюзеляж, хвостовое оперение самолетного типа, самолетно-вертолетную систему управления, несущий винт выполнен авторотирующим автожирного типа, двигатели турбовинтового типа выполнены с реверсивными воздушными винтами изменяемого шага, а крыло выполнено с увеличенной подъемной силой.
Техническое решение полезной модели поясняется чертежом фиг.1. На фиг.1 схематично изображен винтокрылый летательный аппарат. Винтокрылый летательный аппарат содержит авторотирующий несущий винт 1, крыло с увеличенной подъемной силой 2, турбовинтовые двигатели 3, реверсивные воздушные винты изменяемого шага 4, фюзеляж 5, хвостовое оперение 6.
Полет винтокрылого летательного аппарата осуществляется следующим образом:
Перед взлетом аппарата без разбега на старте осуществляют раскрутку аторотирующего несущего винта 1 до заданной частоты вращения, подобно раскрутке несущего винта автожира с «прыжковым» взлетом, с целью приобретения им необходимого запаса кинетической энергии. После этого с использованием известной вертолетной системы управления увеличением общего шага и тяги несущего винта 1 выполняют вертикальный подъем аппарата до отрыва колес шасси от поверхности площадки. Затем, практически одновременно, переводят рычаги управления двигателями во взлетное положение и производят разгон аппарата до достижения заданных значений скорости и высоты на взлете. При этом обеспечивают реализацию максимальной тяги движителей и одновременно максимальной тяги несущего винта за счет наиболее полного использования экранного эффекта площадки на малой высоте поступательного движения аппарата.
В горизонтальном полете с ростом скорости подъемная сила крыла 2 увеличивается. Следовательно, подъемную силу авторотирующего несущего винта 1 уменьшают общим шагом на соответствующую величину. Максимальная разгрузка несущего винта крылом, с увеличенной подъемной силой, достигается на крейсерской скорости полета. Для уменьшения профильного сопротивления несущего винта уменьшают скорости воздушного потока, обтекающего наступающие лопасти несущего винта, за счет установки минимальной частоты его вращения, обеспечивающей устойчивую авторотацию, путем уменьшения общего шага. Минимизация аэродинамического сопротивления системы аторотирующий несущий винт-крыло увеличивает аэродинамическое качество, крейсерскую скорость и дальность полета винтокрылого летательного аппарата по сравнению с вертолетами и винтокрылами.
Перед посадкой аппарата без пробега на глиссаде планирования устанавливают заданную скорость, заданную величину общего шага авторотирующего несущего винта 1 для обеспечения максимально возможной частоты его вращения и необходимого запаса кинетической энергии. Затем на заданной высоте относительно поверхности посадочной площадки включают реверс воздушных винтов 4 для торможения аппарата и уменьшения посадочной скорости. После этого перед окончанием торможения увеличивают общий шаг и тягу несущего винта 1 для уменьшения скорости приземления аппарата вплоть до нулевого значения к моменту касания колес шасси поверхности площадки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения является новой и промышленно приемлемой для достижения указанного технического результата и соответствует условию патентоспособности полезной модели.
Источники информации:
1. Свищев Г.П. Авиация, энциклопедия. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», ЦАГИ, Москва, 1994 г.
2. Тищенко М.Н., Некрасов А.В., Радин А.С. «Вертолеты», издательство «Машиностроение», Москва, 1976 г. (стр.69).
3. Ружицкий Е.И. «Анализ развития мирового вертолетостроения за 50 лет», журнал «Техническая информация», выпуск 1-2, ЦАГИ, 1998 г.(стр.52,54).
4. Авиационная энциклопедия «Уголок неба», Rotodyne, http/www.airwar.m/enc/uh/rotodayne.html (стр.1-9).