СКОРОСТНОЙ ВЕРТОЛЕТ С ДВУМЯ ВИНТАМИ

Область техники
Полезная модель относится к области авиастроения, а именно к винтокрылым летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки, к скоростным вертолетам одновинтовой схемы с рулевым винтом.
Уровень техники
Существуют различные конструктивные схемы вертолетов, снабженных рулевым винтом в хвостовой части. Классические схемы характеризуются наличием несущего винта для создания подъемной силы и рулевого винта в хвостовой балке. При вращении несущего винта возникает реактивный момент, приводящий к вращению корпуса машины в противоположную сторону. Для устранения этого явления используется рулевой винт на хвостовой балке, который создает компенсирующий момент (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%85%D0%B5%D0%BC%D1%8B_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82%D0%BE%D0%B2#%D0%92%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82%D1%8B_%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D1%8B_%D1%81_%D1%80%D1%83%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%BC_%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BC ). Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта относительно горизонтальной оси машины: при наклоне вперед обеспечивается перемещение вертолета вперед, при наклоне оси вращения несущего винта назад — достигается перемещение назад, при наклоне вправо или влево — достигается боковое перемещение вертолета. В такой схеме поворот вертолета (аппарата) может происходить при изменении скорости вращения рулевого винта, т. е. за счет реактивной силы от несущего винта. Для сохранения постоянной высоты полета при изменении скорости полета используется механизм изменения угла установки лопастей несущего винта с помощью автомата перекоса (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%B0 ).
Применение таких устройств приводит к существенному усложнению системы управления полетом вертолета и, соответственно, снижает его надежность.
В соосных схемах (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%85%D0%B5%D0%BC%D1%8B_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82%D0%BE%D0%B2#%D0%A1%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0 ) используют два разнесенных по высоте несущих винта с общей осью. Винты вращаются в разные стороны, а рулевой винт отсутствует, поэтому для маневрирования используется механизм изменения угла наклона и угла установки лопастей.
Наличие двух несущих винтов увеличивает вибрационный шум и вес машины, усложняет его изготовление и управление полетом.
В патентной публикации RU 2407675 раскрыта продольная схема вертолета, который содержит фюзеляж, несущие винты, систему управления лопастями несущих винтов, состоящую из командных рычагов управления в кабине пилота и проводки управления, соединенной с лопастями, автопилот и двигатели для привода несущих винтов. Вертолет дополнительно снабжен не менее чем двумя воздушными винтами, установленными симметрично относительно продольной оси фюзеляжа с возможностью изменения общего шага как совместно, так и дифференциально. Система управления вертолетом снабжена устройством, изменяющим частоту вращения несущих винтов. Лопасти закреплены на втулках несущих винтов жестко.
Такая схема позволяет компенсировать реактивный момент, но увеличивает вибрационный шум.
В патентной публикации RU 168554 U1, для увеличения линейной скорости вертолета предлагается использовать комбинированную форму. Скоростной комбинированный вертолет (винтокрыл) имеет комбинированную несущую систему, состоящую из несущего винта и планера с управляемым горизонтальным и вертикальным оперением, силовую установку, состоящую из трансмиссии (редукторов и валов) и двигателя, убираемое в полете шасси, снабжен крылом, расположенным позади оси вала соосного несущего винта, оборудованным управляемыми закрылками, элеронами и отклоняемыми консолями и не менее чем одним комбинированным двигателем, обеспечивающим как создание пропульсивной тяги посредством хвостового сопла, так и привод с возможностью изменения частоты вращения несущего винта. Горизонтальное управляемое оперение расположено впереди несущего винта, а вертикальное оперение установлено на крыле.
Очевидно, что эта схема довольно сложна не только для изготовления, но и в экcплуатации.
Из уровня техники известен также вертолет Sikorsky-Boeing SB> 1 DEFIANT, разработанный компанией Локхид Мартин (https://news.lockheedmartin.com/2019-03-21-Sikorsky-Boeing-SB-1-DEFIANT-TM-Helicopter-Achieves-First-Flight ? utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_content=100000490523475&utm_campaign=rms&linkId=100000005536958 ).
Аппарат имеет два коаксиальных несущих винта и один толкающий винт в хвостовой части. Наличие двух несущих винтов, вращающихся в разные стороны, решает проблему реактивных моментов, однако увеличивает вибрационный шум и усложняет изменение курса полета, поскольку возникает потребность в механизме наклона оси вращения несущих винтов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция вертолета, раскрытая в патентной публикации US 8777152. Аппарат снабжен поворотным крылом для увеличения подъемной силы и уменьшения нагрузки на несущий винт, а также хвостовым винтом с возможностью поворота на некоторый угол. Управление осуществляется с помощью двухшаговой схемы: на первом шаге за счет средств управления производится компенсация момента от вращения несущего винта (anti-torque mode) и на втором - увеличение скорости движения аппарата (propulsion mode).
Недостатком такого управления является сложность пилотирования, поскольку оба шага являются взаимозависимыми: при изменении скорости вращения несущего винта, требующей компенсации вращательного момента происходит изменение скорости полета, а изменение скорости полета сопровождается разбалансировкой реактивных моментов.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключаются в необходимости преодоления конструктивных недостатков аналогов и схемы управления прототипа за счет создания скоростного вертолета одновинтовой схемы, характеризующегося упрощенной схемой управления аппарата для передвижения в воздушном пространстве.
Краткое раскрытие сущности заявляемой полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в упрощении конструкции вертолета и обеспечения возможности его управления посредством двух независимых действий: изменения скорости вращения несущего винта и изменения скорости вращения рулевого (хвостового) винта. Преимуществом заявляемой полезной модели также является простота изготовления, надежность и более простая навигация.
Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции вертолета, имеющий корпус с установленным над ним несущим винтом, создающим подъемную силу и управляемым мотором несущего винта, и соединенную с корпусом хвостовую часть с закрепленной на ней хвостовой балкой, на которой установлен толкающий рулевой винт, создающий пропульсивную силу, имеющую проекции вектора, направленные вдоль продольной оси вертолета и перпендикулярно продольной оси вертолета отличающийся тем, что толкающий рулевой винт закреплен подвижно с возможностью изменения плоскости его вращения и снабжен поворотным устройством, на котором установлен мотор толкающего рулевого винта, а также блоком управления толкающим рулевым винтом, обеспечивающим автоматическое изменение угла поворота θ плоскости вращения толкающего рулевого винта относительно вертикальной оси вертолета при изменении скорости вращения несущего Ω и/или толкающего рулевого ω винта.
Таким образом, использование в хвостовой балке устройства для поворота рулевого винта относительно вертикальной оси и блока автоматической коррекции скорости вращения хвостового винта (блока управления) приводит к упрощению управляющих действий.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами, где
На фиг. 1 представлена схема заявляемого вертолета.
На фиг. 2 представлены изменения хвостовых сил за счет изменения скорости вращения хвостового винта ω и его поворота на угол θ, при этом
f
f
T
на фиг. 2а показано изменение толкающей силы   при постоянной реактивной силе  p;
f
f
T.
на фиг. 2б показано изменение реактивной силы  p при постоянной толкающей силе
На фиг. 3 представлена схема управления полетом за счет изменения угловой скорости вращения Ω несущего винта посредством мотора М1 и скорости вращения ω хвостового винта посредством мотора М2.
Позициями на чертежах обозначены
1 - несущий винт вертолета,
2 - рулевой винт вертолета,
3 - устройство поворота рулевого винта,
4 - первый редуктор,
5 - второй редуктор,
6 - блок управления рулевым винтом.
На чертежах также использованы следующие условные обозначения:
Ω - скорость вращения несущего винта,
ω, ω¹- скорости вращения хвостового винта,
М1 - мотор несущего винта
М2 - мотор хвостового винта
θ, θ¹- углы поворота хвостового винта,
f
f¹
T,
T -
движущие силы хвостового винта,
f
f¹
Р
Р
,   - реактивные силы хвостового винта.
Осуществление полезной модели
Заявляемый вертолет представляет собой автоматизированную техническую конструкцию, управление которой осуществляется посредством изменения двух основных параметров: скорости вращения несущего винта Ω и скорости вращения хвостового винта ω, а также дополнительного параметра – угла поворота хвостового винта θ.
ω
Вертолет включает корпус, соединенный с хвостовой частью. Над корпусом вертолета закреплен несущий винт 1, посредством которого осуществляется вертикальное перемещение аппарата. Несущий винт приводится во вращение соответствующим мотором М1. В хвостовой части вертолета на хвостовой балке закреплен рулевой винт, предназначенный для компенсации реактивного момента, создаваемого при вращении несущего винта. Рулевой винт вращается независимым мотором М2. Винт закреплен подвижно, с возможностью изменения плоскости его вращения относительно вертикальной оси вертолета. Такая возможность достигается использованием поворотного устройства, управляемого через соответствующий блок управления. Поворотное устройство приводится в действие посредством редукторов 4 и 5. Установлено, что изменение угла поворота θ плоскости вращения рулевого винта относительно вертикальной оси вертолета при изменении скорости вращения несущего Ω и/или рулевого  винта приводит к изменению горизонтальной скорости перемещения вертолета.
M=A
fхв=aω
fТ
fхв
fР
fхвsinθ
m
m=aωsinθL
L
Изменение высоты ЛА (взлет и посадка) необходимо производить за счет изменения скорости вращения W несущего винта 1, создающего подъемную силу. Одновременно создается и нежелательный вращательный момент Ω, который необходимо компенсировать за счет вращения ω хвостового (рулевого) винта 2, создающего силу , порождающую как движущую  = и реактивную  = силы (фиг. 1). Соответственно компенсирующий реактивный момент  будет равен (где – плечо силы, равное расстоянию между винтами).
fТ
aωcosθ,
ω
Скорость горизонтального полета определяется величиной движущей силы  =управлятькоторой можно с помощью  - скорости вращения хвостового винта.
M+m=0,
AΩ
+aLωsinθ = 0
θ
sinθ = CΩ
ω
C =
A/aL = const
C
ω
fТ
aωcosθ
ω=0
θ=90
θ=90
ω° (Ω)=Ω
C
/
/
При полете с постоянной скоростью (без маневрирования) два момента должны уравновешивать друг друга т.е... Поэтому блок управления 6 хвостовым винтом 2 с помощью поворотного устройства 3 разработан с обеспечением автоматического изменения угла  так, чтобы ., где коэффициент–. Очевидно, что отношение Ωне должно превосходить 1, и что, отсутствие горизонтального перемещения требует отсутствия движущей силы  =. Последнее условие возможно либо при , либо при °.Поэтому при взлете, посадке и «зависании» вертолета должны выполняться два условия: °и  ..
ω
ω= ω°+ω
,
Ω
ω
ω
θ=arccsc(1+ω
/CΩ)
ω=ω
+CΩ
cscθ=1
sinθ =(CΩ+ω
)/CΩ=1+ω
/CΩ
ν
ν
ν
ν
ν
ν
/
Управление делитсяна две части: отвечающие за вертикальное и горизонтальное перемещение соответственно. Пилоту отводится управление величинами  и , т.е. вертикальным и горизонтальным движением, а управление поворотным устройством и скоростью автоматически обеспечивает блок управления по формулам  и (так как )
θ
Изменение высоты полета за счет скорости вращения несущего винта Ω при постоянной горизонтальной скорости показано на фиг. 2а. Увеличение скорости вращения несущего винта приводит к возрастанию его реактивного момента, который необходимо компенсировать. Это достигается увеличением угла .
Увеличение горизонтальной скорости полета при постоянной высоте полета, как показано на фиг. 2б, происходит за счет увеличения скорости вращения ω хвостового винта, которое сопровождается уменьшением угла θ.
Автоматический поворот хвостового винта при изменении скорости вращения Ω несущего винта 1 и/или скорости вращения ω хвостового винта 2 реализуется по схеме, показанной на фиг. 3.
ω
Таким образом, используемый в заявляемой конструкции блок управления, обеспечивая автоматическое изменение угла θ и скорости , делает операции пилота по управлению высотой и скоростью полета независимыми.
Угловая скорость ω хвостового винта 2 задается его мотором М2, установленным на поворотном устройстве 3, которое может поворачиваться на угол  0 ≤ θ ≤ 90° редукторами 4 и 5. Команды пилота об изменении скорости вращения несущего винта и скорости горизонтального полета поступают в блок управления 6, который вырабатывает напряжения, необходимые для мотора несущего винта, поворотного устройства и мотора хвостового винта. Поворотное устройство 3 хвостового винта может приводиться в действие с помощью сельсин-мотора.
Таким образом, в заявляемой модели движение вперед осуществляется только посредством винта в хвостовой части аппарата (рулевого винта), как и компенсация реактивного момента от несущего винта. Поэтому в заявляемом устройстве отсутствует необходимость использования таких сложных устройств, как автоматы перекоса и угла наклона лопастей, что, безусловно, повышает надежность вертолета. Полезная модель позволяет, изменяя три параметра: угловую скорость вращения несущего винта Ω, скорость вращения хвостового винта и угол θ плоскости его вращения, двигаться аппарату в нужном направлении и изменять скорость полета.
В заявляемой схеме вертолета, также как в классической, используются два винта - несущий винт и винт в хвостовой части (движущий рулевой винт). Однако, рулевой винт выполнен более мощным с возможностью поворота вокруг вертикальной оси вертолета. За счет его поворота и увеличения мощности осуществляется скоростной горизонтальный полет. Несущий винт предназначен только для обеспечения вертикального перемещения аппарата, поэтому в такой схеме не надо изменять угол наклона несущего винта относительно вертикальной оси, что существенно упрощает конструкцию летательного аппарата и повышает его надежность. Для простого управления летательным аппаратом предусмотрена автоматическая регулировка поворота рулевого винта, обеспечивающая компенсацию реактивных моментов, создаваемых винтами и зависящих от скорости их вращения. Основное пилотирование осуществляется посредством двух независимых действий: изменения скорости вращения несущего винта (взлет и посадка) и изменения скорости вращения хвостового винта (горизонтальный полет).