Конвертоплан
CONVERTIBLE PLANE

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Изобретение может быть использовано во всех областях традиционного применения самолетов, вертолетов, конвертопланов, беспилотных летательных аппаратов.
Известен конвертоплан (Патент RU №2456209 С1. МПК В64С 37/00 - 20.07.2012, Бюл. №20), включающий фюзеляж, крыло, двигатели, оперение, шасси. На крыле располагаются пилоны, выполненные с возможностью вращения. На пилонах установлены два передних двигателя. Задний двигатель установлен на киле-пилоне. Стойки шасси совмещены с пилонами крыла и килем соответственно. Обеспечивается балансировка летательного аппарата на всех режимах полета.
Недостатками данного технического решения являются низкая грузоподъемность, низкая дальность и продолжительность полета в силу низкого КПД силовых установок, т.к они одновременно и подъемные, и маршевые, а также избыточная мощностью силовых установок в горизонтальном полете, как следствие вынужденная их эксплуатация при пониженных КПД.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является конвертоплан (Патент RU №2635431 С1, МПК В64С 37/00 - 13.11.2017, Бюл. №32), содержащий фюзеляж, пару крыльев: переднее и заднее, силовые установки, содержащие двигатели и воздушные винты, шасси, пилоны, выполненные с возможностью вращения, две подъемные силовые установки расположенные на пилонах с двумя степенями свободы по углам тангажа и рыска по бокам фюзеляжа, с возможностью фиксации положения и убираться при горизонтальном полете вперед или назад в ниши фюзеляжа. Маршевая силовая установка расположена на пилоне с двумя степенями свободы по углам крена и тангажа с возможностью фиксации положения в хвостовой части фюзеляжа. Данный патент принят за прототип.
Недостатками этого конвертоплана является:
1. Высокий вес и высокое сопротивление пилона маршевой силовой установки.
2. При использовании в маршевой силовой установке двигателей внутреннего сгорания возрастает техническая сложность системы управления. Это связано с тем, что двигатели внутреннего сгорания значительно более инертны по оборотам нежели электрические двигатели, соответственно, использование двигателей внутреннего сгорания в контурах управления невозможно без винтов изменяемого шага, в случаях поршневого двигателя внутреннего сгорания и газотурбинного двигателя, или регулируемого сопла, в случае использования реактивного двигателя.
Задачей заявляемого изобретения является создание конвертоплана предназначенного для транспортирования, простой конструкции, сбалансированного на всех режимах полета, способного совершать горизонтальный полет, вертикальный взлет - посадку и зависать на одном месте. Полезность конвертоплана заключается в возможности взлета и посадки с минимальной по габаритам площадки и в сокращении времени транспортирования за счет возможности максимально близко доставить целевую нагрузку до потребителя
Технический результат - увеличение надежности конструкции, грузоподъемности, дальности, продолжительности полета и снижение стоимости конвертоплана.
Указанный технический результат достигается тем, что конвертоплан, содержащий фюзеляж, пару крыльев: переднее и заднее, две подъемные силовые установки, содержащие электродвигатели, или или поршневые двигатели внутреннего сгорания, или газотурбинные двигатели и воздушные винты, складные или нет, фиксированного шага или изменяемого, расположенные на пилонах с двумя степенями свободы по углам тангажа и рыска по бокам фюзеляжа, с возможностью фиксации положения и убирающиеся при горизонтальном полете вперед или назад в полость фюзеляжа, маршевую силовую установку, содержащую электродвигатель, или поршневой двигатель внутреннего сгорания, или газотурбинный двигатель и воздушный винт, складной или нет, фиксированного шага или изменяемого, или по меньшей мере один реактивный двигатель и газовые рули изменяющие вектор тяги в вертикальной плоскости или без газовых рулей, расположенную на пилоне с возможностью размещения в носовой или хвостовой частях фюзеляжа, а также на передней или задней кромках киля, с шасси или без шасси, с парашютом или без парашюта, по меньшей мере одним килем, отличающегося тем, что пилон маршевой силовой установки имеют только или одну степень свободы по углу тангажа, с возможностью фиксации положения, или ни одной степени свободы.
Преимуществом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение технической сложности, уменьшение себестоимости и увеличение надежности, а также снижение веса пустого и увеличение дальности и продолжительности полета, это обеспечивается снижением количества степеней свободы у пилона маршевой силовой установки и полное или частичное исключение маршевой силовой установки из контуров управления конвертопланом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - Вид общий конвертоплана во взлетно-посадочном режиме полета. Пилон маршевой силовой установки имеет одну степень свободы;
на фиг. 2 - Разгон конвертоплана;
на фиг. 3 - Вид общий конвертоплана в горизонтальном полете. Подъемные силовые установки убраны в ниши фюзеляжа;
на фиг. 4 - Вид общий конвертоплана во взлетно-посадочном режиме полета. Крепление маршевой силовой установки - фиксированное.
где 1 - фюзеляж;
2 - переднее крыло;
3 - заднее крыло;
4 - киль;
5 - подъемные силовые установки;
6 - маршевая силовая установка;
7, 8 - дифференциальные аэродинамические рули;
9 - пилон подъемной силовой установки;
10 - пилон маршевой силовой установки;
11 - ниши фюзеляжа для уборки подъемных силовых установок.
Предлагаемое изобретение содержит фюзеляж 1, который служит для размещения целевой нагрузки, элементов системы управления и других систем; переднее крыло 2 и заднее крыло 3; по меньшей мере один киль 4; подъемные силовые установки 5, включающие двигатель и воздушный винт, размещенных на поворотных пилонах 9 по бокам фюзеляжа для создания подъемной силы на режимах взлета/посадки; маршевая силовая установка 6, включающая двигатель и воздушный винт, или без винта, размещенная на пилоне 10 с возможностью размещения в носовой или хвостовой частях фюзеляжа, а также на передней или задней кромках киля; дифференциальных аэродинамических рулей 7 и 8 для управления конвертопланом в горизонтальном полете; ниши фюзеляжа 11 для уборки подъемных силовых установок.
Данное изобретение имеет несколько особенностей:
1. Пилон маршевой силовой установки имеет либо одну степень свободы по углу тангажа, либо вовсе зафиксирован.
2. В случае когда пилон маршевой силовой установки имеет одну степень свободы, управление конвертопланом в продольном канале осуществляется оборотами маршевой силовой установки, общим шагом винта (в случае если установлен винт изменяемого шага) и поворотом пилона маршевой силовой установки по углу тангажа, а также при помощи подъемных силовых установок и их пилонов.
3. В случае когда пилон маршевой силовой установки зафиксирован, а маршевая силовая установка содержит по меньшей мере один реактивный двигатель и газовые рули, отклоняющие вектор тяги силовой установки вверх-вниз, управление конвертопланом в продольном канале осуществляется тягой двигателя, газовыми рулями, а также подъемными силовыми установками и их пилонами.
4. Управление конвертопланом во взлетно-посадочном режиме по углу рыска осуществляется дифференциальным поворотом подъемных силовых установок относительно угла тангажа.
5. В случае фиксированной установки маршевой силовой установки и отсутствия устройств поворачивающих тягу маршевой силовой установки в вертикальной плоскости, управлением конвертопланом в продольном канале осуществляется поворотом пилонов подъемных силовых установок относительно углов тангажа и рыска, а также оборотами двигателей подъемных силовых установок и в случае винтов изменяемого шага, шагом этих винтов.
Работает устройство следующим образом: различается два режима полета конвертоплана: взлетно-посадочный режим и горизонтальный полет.
В случае одной степени свободы у пилона маршевой силовой установки, во взлетно-посадочном режиме (Фиг. 1) все три силовых установки работают и установлены в рабочее положение «вверх». Управление осуществляется поворотом подъемных силовых установок относительно осей А и Б (по углам рыска и тангажа) и поворотом маршевой силовой установки относительно оси В (по углу тангажа). Отклонение осуществляется при помощи сервоприводов. Кроме того, управление конвертопланом осуществляется изменением оборотов двигателей силовых установок.
После взлета все силовые установки поворачиваются вперед на некоторый угол для создания горизонтальной тяги (Фиг. 2). Этим самым достигается разгон конвертоплана до минимальной скорости горизонтального полета. После этого подъемные силовые установки останавливаются и убираются в ниши фюзеляжа поворотом мотогондол вокруг оси А (по углу рыска). В горизонтальном полете (Фиг. 3) подъемная сила создается крыльями, тяга создается маршевой силовой установкой, а управление осуществляется дифференциальными рулями (которые могут быть установлены как на переднем, так и/или на заднем крыльях). При выходе из строя маршевой силовой установки возможна посадка при помощи подъемных силовых установок, либо «по-планерному» под управлением дифференциальных рулей, либо (если есть) на парашюте.
В случае если маршевая силовая установка установлена жестко и отсутствуют газовые рули, то во взлетно-посадочном режиме полет конвертоплана и управление им осуществляется только при помощи подъемных силовых установок, а маршевая силовая установка либо выключена, либо работает на холостом ходу. Разгон конвертоплана до минимальной скорости горизонтального полета осуществляется поворотом подъемных двигателей на некоторый угол вперед для создания горизонтальной тяги, маршевая силовая установка при этом запускается для создания тяги. По достижению минимальной скорости горизонтального полета, подъемные силовые установки останавливаются и убираются в фюзеляж. Горизонтальный полет и посадка проходит аналогично предыдущей конфигурации.
В случае если маршевая силовая установка установлена жестко и содержит по меньшей мере один реактивный двигатель и газовые рули, поворачивающих вектор тяги в вертикальной плоскости, то управление в продольном канале производится при помощи этих газовых рулей и подъемных силовых установок и их пилонов.
По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение имеет ряд технико-экономических преимуществ, а именно:
1. В случае одной степени свободы у пилона маршевой силовой установки снижается вес пустого конвертоплана на 5% за счет отсутствия механизма поворота по углу крена. Кроме того, уменьшается техническая сложность конструкции и увеличивается ее надежность.
2. В случае фиксированной установки маршевой силовой установки, вес пустого снижается до 10%, уменьшается техническая сложность конструкции и увеличивается ее надежность, кроме того, появляется возможность использовать двигатели внутреннего сгорания без винтов изменяемого шага, что также приводит к снижению веса, уменьшению технической сложности конструкции и системы управления и увеличивает надежность конвертоплана.
3. Использование в маршевой силовой установке по меньшей мере одного реактивного двигателя позволит конвертоплану достигать сверхзвуковые скорости полета.
4. В случае жестко установленной маршевой силовой установки состоящей из по меньшей мере одного реактивного двигателя и горизонтальных газовых рулей поворачивающих вектор тяги двигателя в вертикальной плоскости, снижается потребная мощность подъемных силовых установок и соответственно их вес и размеры, снижается вес и техническая сложность пилона маршевой силовой установки, за счет отсутствия у него двух степеней свободы. В результате, увеличивается продолжительность и дальность полета конвертоплана, а также снижается его техническая сложность и увеличивается надежность.