МНОГОВИНТОВОЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ НЕСУЩИХ ВИНТОВ С ФИКСИРОВАННЫМ ШАГОМ ЛОПАСТЕЙ

Полезная модель относится к области авиации, в частности к конструкции приводов несущих винтов многовинтовых летательных аппаратов (вертолетов) и систем управления полетом.
На подобных летательных аппаратах используются несущие винты как с фиксированным, так и изменяемым шагом лопастей.
В теории полета принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Эти три угла называются: крен, тангаж и рыскание: крен - поворот вокруг продольной оси, тангаж - поворот вокруг поперечной оси, рыскание - поворот вокруг вертикальной оси.
На летательных аппаратах, которые серийно производятся, на которых применяются винты с изменяемым шагом с механическим приводом вращения и для управления креном, тангажем и рысканием, применяются автоматы перекоса лопастей. В частном случае на вертолетах с одним несущим винтом, для управления углом рыскания используется хвостовой винт с изменяемым шагом.
Основной недостаток применения механического привода заключается в том, что при использовании несущих винтов с фиксированным шагом для обеспечения управления по трем углам (крен, тангаж и рыскание) необходимое количество винтов должно быть не менее трех, что как следствие приводит к уменьшению КПД трансмиссии и к увеличению массы привода.
Известны другие способы передачи энергии от маршевого двигателя к несущим винтам - это либо электрический, либо гидравлический.
Необходимым условием обеспечения устойчивости полета многовинтового летательного аппарата является постоянный контроль за величиной тяги каждого несущего винта и определенное быстродействие изменения тяги одного или нескольких несущих винтов для управления полетом по углам крепа, тангажа или рыскания, а также при наборе высоты или снижении.
Известен летательный аппарат (патент RU № 2499737, опубл. 20.03.2013 г.), содержащий корпус для размещения двигателя, запаса топлива и трансмиссии, приводящей во вращение несущие винты с фиксированным шагом. Силовая установка выполняется по схеме: двигатель - электрический генератор - исполнительные электромоторы - несущие винты с фиксированным шагом. Каждый несущий винт приводится во вращение своим электромотором.
Недостатком данной конструкции является большой вес электрической трансмиссии.
Известен летательный аппарат (патент RU № 2001836, опубл. 30.10.1993 г.), содержащий двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор и не менее шести электромоторов, на валу каждого из которых установлен воздушный винт вертикальной тяги. Электрогенераторы и электромоторы выполнены в виде электрических машин с постоянными магнитами из редкоземельных металлов.
Недостатком данной конструкции является большой вес электрической трансмиссии и применение электрических машин с постоянными магнитами из редкоземельных металлов.
Известны многовинтовые летательные аппараты с электроприводом несущих винтов с фиксированным шагом, где в качестве источника энергии используются электрические аккумуляторные батареи.
Существенным недостатком трансмиссии подобного рода является ограниченный запас электроэнергии в батареях, что ограничивает мощность привода и полетное время летательного аппарата.
В настоящее время не существуют серийно производимых электрических машин сравнимых по массогабаритным и предельным параметрам с объемными гидравлическими машинами, которые обеспечивают удельный вес регулируемого гидравлического привода в пределах 0,5÷0,7 кг на 1 кВт передаваемой мощности, и при этом регулируемый гидронасос обеспечивает изменение подачи рабочей жидкости от min до max не позднее 0,05 сек после получения управляющего сигнала.
Известно устройство хвостового винта с гидростатическим приводом одновинтового вертолета (патент RU № 2445235, опубл. 20.03.2012 г.), где механический привод заменен на регулируемый гидростатический привод, позволяющий изменять частоту вращения хвостового винта для управления углом рыскания вертолета.
Недостатком является то, что регулируемый гидростатический привод применяется только для управления тягой хвостового винта на одновинтовом вертолете.
Известна конструкция вертолета (описанного в патенте RU № 2566831 С2, 27.10.2015, В64С 27/2), в котором для обеспечения безопасности полета при выходе из строя одного из двух маршевых двигателей применен гидравлический привод несущих винтов с изменяемым шагом, состоящий из двух независимых гидравлических контуров, регулируемый гидронасос каждого из контуров приводится во вращение одним из двух маршевых двигателей.
Безопасность полета обеспечивается тем, что после выхода из строя одного из двух маршевых двигателей, регулируемый гидронасос одного контура обеспечивает рабочей жидкостью по дополнительным трубопроводам, соединяющим напорные и сливные магистрали другого гидравлического контура с магистралями другого контура соответственно.
Недостатком данной конструкции является применение только на двухвинтовых вертолетах и исключает возможность применения несущих винтов с фиксированным шагом лопастей.
Также известно устройство многовинтового летательного аппарата с гидравлическим приводом несущих винтов с фиксированным шагом (патент CN 105151284 А, 16.12.2015, В64С 27/08), где один регулируемый гидронасос подает рабочую жидкость под высоким давлением по трубопроводам на регулируемые гидравлические двигатели, приводящие во вращение несущие винты с фиксированным шагом.
Недостатком этого устройства является то, что описанная в патенте система управления полетом основана на определении величины давления рабочей жидкости в каждой магистрали высокого давления. Авторы предполагают, что контроль величины рабочего давления в каждой напорной магистрали в достаточной мере обеспечит систему управления летательным аппаратом необходимыми параметрами для устойчивого полета.
Нами были проведены испытания, которые показали, что для обеспечения устойчивости полета летательного аппарата необходимо контролировать частоту вращения каждого несущего винта, что является прямым следствием создаваемой тяги, а величина рабочего давления в напорной магистрали зависит также и от потерь давления по длине трубопровода, наличия местных сопротивлений, количества объемных потерь в гидравлических машинах и т.д.
Техническим результатом предложенной полезной модели является уменьшение массогабаритных показателей привода вращения несущих винтов с фиксированным шагом, повышение точности и быстродействия системы управления углами крена, тангажа и рыскания многовинтового летательного аппарата и улучшение температурного состояния рабочей жидкости путем применения регулируемого гидравлического привода несущих винтов с фиксированным шагом.
Технический результат достигается тем, что многовинтовой летательный аппарат содержит двигатель внутреннего сгорания, не менее трех несущих винтов с фиксированным шагом лопастей и привод, преобразовывающий механическую энергию от двигателя внутреннего сгорания в гидравлическую, и перераспределяющий ее на несколько независимых гидравлических контуров. Каждый независимый регулируемый гидравлический контур состоит из регулируемого гидронасоса, напорной магистрали высокого давления, исполнительного гидромотора, приводящего во вращение несущий винт и сливной магистрали низкого давления с воздушно-масляным теплообменным аппаратом, расположенным в области воздушного потока несущего винта.
Многовинтовой летательный аппарат с регулируемым гидравлическим приводом несущих винтов с фиксированным шагом лопастей содержит (расположен на фигуре 1): маршевый двигатель внутреннего сгорания (1), промежуточный редуктор (9), не менее трех несущих винтов (2) с фиксированным шагом, регулируемый гидравлический привод, состоящий из независимых гидравлических контуров (3), количество которых равно количеству несущих винтов (2). Каждый независимый гидравлический контур (3) содержит регулируемый гидронасос (4), связанный с исполнительным гидромотором (5) посредством напорной магистрали (6) высокого давления и сливной магистрали (7) низкого давления, на которой расположен воздушно-масляный теплообменный аппарат (8), находящийся в области воздушного потока несущего винта (2). Для контроля за частотой вращения выходных валов маршевого двигателя внутреннего сгорания (1) и исполнительных гидромоторов (5) установлены датчики частоты вращения (10).
Многовинтовой летательный аппарат работает следующим образом: маршевый двигатель (1) через промежуточный редуктор (9) передает механическую энергию в гидравлические контуры (3), регулируемые насосы (4) которых направляют по напорным магистралям (6) рабочую жидкость под высоким давлением на вход исполнительных гидромоторов (5), приводящих во вращение несущие винты (2). Выход исполнительных гидромоторов (5) соединен со входом регулируемых гидронасосов (4) сливными магистралями (7) низкого давления, на которых установлен воздушно-масляный теплообменный аппарат (8) таким образом, чтобы он находился в области воздушного потока несущих винтов (2).
Полет многовинтового летательного аппарата происходит следующим образом: в зависимости от полетного задания система управления летательным аппаратом задает определенную величину частоты вращения выходного вала маршевого двигателя (1) внутреннего сгорания путем изменения подачи топлива и выходных валов исполнительных гидромоторов
(5), путем изменения производительности регулируемых гидронасосов (4) в каждом независимом гидравлическом контуре (3). Постоянный контроль за величиной частоты вращения выходных валов маршевого двигателя (1) внутреннего сгорания и исполнительных гидромоторов (5), и сравнивания с полетным заданием и своевременной корректировкой определяет устойчивое положение летательного аппарата во время полета и при совершении необходимого маневра. Для обеспечения стабильного температурного режима рабочей жидкости в каждом гидравлическом контуре воздушно-масляный теплообменный аппарат находится в области воздушного потока несущего винта.
К такому устройству могут быть применены множество модификаций и вариантов, каждый из которых является частью предложенной полезной модели, более того, могут быть заменены посредством других технически эквивалентных.
Применение регулируемого гидравлического привода, состоящего из независимых контуров, количество которых равно количеству несущих винтов, позволяет исключить влияние одного независимого контура на работу других независимых гидравлических контуров, повысить стабильность температурного режима рабочей жидкости в гидравлических контурах путем размещения воздушно-масляного теплообменного аппарата на сливной магистрали в непосредственной близости от воздушного потока несущего винта. Применение системы управления полетом летательного аппарата на основе контроля частоты вращения выходных валов маршевого двигателя и исполнительных гидромоторов обеспечит практическое создание многовинтового летательного аппарата с регулируемым гидравлическим приводом несущих винтов с фиксированным шагом с низкой стоимостью, устойчивого в полете, имеющего простую схему управления по углам крена, тангажа и рыскания, а также стабильный тепловой режим работы гидравлической системы во всем диапазоне работы трансмиссии.