ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ (АППАРАТ СОЛОУХИНОЙ Е.Н.)
AIRCRAFT WITH VERTICAL TAKEOFF AND LANDING (E.N. SOLOUKHINA'S APPARATUS)

Изобретение относится к области летательных аппаратов и может быть использовано для перемещения людей и грузов, в том числе и в пределах городов, как безопасный летательный аппарат (далее - ЛА), у которого нет открытого несущего воздушного винта.
Рабочий винт расположен внутри, по сути, неподвижного корпуса имеющего габариты ∅ 1,25 м и высота ~ 0,4 м, что обеспечивает его возможность объединения с легковым автомобилем и его дальнейшую безопасную эксплуатацию в условиях города, т.к. нет опасности зацепиться вращающимся винтом за посторонние предметы, не требуется оборудование специальных взлетно-посадочных зон. Объединение ЛА с автомобилем по существу позволяет получить новый продукт, который может найти широкое применение на рынке товаров и услуг. Использование разработанных в настоящее время двигателей в предлагаемом устройстве делает ЛА по цене соизмеримым с обычным автомобилем.
Такое выполнение ЛА позволяет уменьшить его габариты и упростить конструкцию и, как следствие, позволяет скомплексировать его с легковым автомобилем.
Известны летательные аппараты с вертикальным взлетом - посадкой (вертолеты) (см. Б.Н. Юрьев "Аэродинамический расчет вертолетов" Оборонгиз. М. 1956 г.). Несмотря на широкое использование этих устройств, они обладают тем недостатком, что они используют значительные размеры лопастей (несущие винты). Требование получить большую тягу заставляет конструкторов применять диаметры доходящие до 37 м (обычно 12÷25 м) (см. книгу Б.Н. Юрьева, стр. 51). Использование таких вертолетов в условиях города небезопасно, к тому же их изготовление требует значительных материальных затрат.
Известен ряд летательных аппаратов, типа летающая тарелка габариты которых значительно меньше вертолетов патент RU 2071441 B64C 27/20 1997 г., патент Япония №57-61640 В64С 27/20 1982 г., заявка ФРГ № OS 34491 В 34/с 1986 г., аэродинамический движитель RU 2153442 В64С 27/20 С2 1998 г., патент RU 2560172 С, RU 2652423 С.
Наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является устройство описанное в патенте RU 2713751 С1 2019 г.
2
1
Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой содержащий двигатель с валом, корпус, несущий винт, рабочее колесо, редуктор, вспомогательную систему обеспечивающую отклонение направления воздушного потока от внутреннего лопаточного венца по радиусу рабочего колеса в сторону внешнего лопаточного венца и n-воздухозаборников, расположенных на корпусе ЛА, рабочее колесо выполнено с двумя лопаточными венцами, один из лопаточных венцов расположен в кольце сформированным корпусом ЛА и внешним краем рабочего колеса, а другой расположен под внутренней плоскостью несущего винта, внешние края лопастей несущего винта соединены с обечайкой, а внутренние - со стаканом, который соединен с валом двигателя, лопасти несущего винта имеют аэродинамический профиль и установлены под углом 8-10 градусов к плоскости диска, лопасти несущего винта установлены со скважностью между собой, n-преобразователи-трансформеры расположенные равномерно под сформированным кольцом равномерно заполняя его, а выходы каждого из них имеют квадратное сечение равное по площади их входам и установлены они неподвижно, n-воздуховоды вход каждого из которых конструктивно соединен с выходом одного из n-преобразователей-трансформеров, а их выходы объединены в четыре группы, каждая из которых образует плотную матрицу укладки, заключенную в тубус, четыре блока управления, каждый из блоков управления выполнен в виде углового патрубка и механизма его перемещения, три из четырех выходов плотных матриц укладки пространственно разнесены между собой по основанию ЛА и расположены один в головной части ЛА, а два других в задней его части, четвертый блок управления компенсирует угловое вращение ЛА вызванное работой рабочего колеса и несущего винта, два тубуса расположенные в задней части ЛА выполнены составными из двух частей, разделенных эластичной вставкой, обе эластичные вставки выполнены в виде пустотелого шарового шарнира имеющего подвижную и неподвижную части, с каждой из которых соединены соответственно по одной из двух частей тубуса, одна из частей каждого тубуса установлена неподвижно, а другая с возможностью углового отклонения в вертикальной и горизонтальной плоскостях и механизма углового отклонения каждой подвижной части тубуса, внутренний лопаточный венец расположен внутри рабочего колеса и ориентирован таким образом, что направление воздушного потока прошедшего через него параллельно по отношению к направлению потока от внешнего лопаточного венца, внутренний лопаточный венец максимально приближен к внешнему лопаточному венцу, площади обеих частей тубуса, соединенных с пустотелым шаровым шарниром имеют разные сечения, площадь подвижной части тубуса А меньше площади неподвижной части тубуса A.
Недостатком летательного аппарата, описанного в патенте RU 2713751 С1, является ненадежность и эффективность его работы, что требует внесения изменений и уточнений в составные части предложенной схемы построения ЛА.
Эффективность работы ЛА обусловлена количеством воздушной массы канализируемой через ЛА и ее скоростью, с которой эта масса канализируется.
Повышение надежности работы ЛА во многом определяется относительной независимостью воздушных потоков от лопастей несущего винта и воздушного потока формируемого внутренним лопаточным венцом на входе во внешний лопаточный венец, расположенный на периферии рабочего колеса.
В указанном патенте на входе во внешний лапаточный венец рабочего колеса необходимые воздушная масса частично формируется как от внутреннего лопаточного венца рабочего колеса, так и от лопасти несущего винта. Оба эти потока формируются от конструктивных элементов вращающихся в разные стороны и, следовательно, потоки воздушной массы от них идут в разных направлениях частично гасят друг друга. В результате результирующая скорость на входе в преобразователи-трансформеры фактически будет зависеть, по сути, только от скорости внешнего лопаточного венца и, как следствие этого, существенно снижается кинетическая энергия выходного воздушного потока ЛА, что приводит к снижению надежности его работы.
Другим существенным недостатком работы ЛА является свободной конец вала на котором закреплены несущий винт и рабочее колесо. В результате вращения вала с несущим винтом и рабочим колесом он испытывает колебания и биения. Учитывая, что рабочее колесо, по сути, вращается внутри не подвижно установленных преобразователей-трансформеров имеющих зазор 1÷2 мм колебания вала от вращающейся нагрузки приводят к нарушению надежности работы ЛА. Из двух вращающихся элементов связанных с с вращающимся валом наименее критичным к возможным биениям является несущий винт, поскольку он вращается в свободном пространстве имея большие зазоры Δ с корпусом ЛА и с зазором относительно диафрагмы разделительного устройства h. В связи с чем, для повышения надежности работы ЛА, редуктор должен быть соединен с несущим винтом, а не с рабочим колесом, а конец вала должен быть установлен и закреплен в шарикоподшипнике конструктивно расположенным в малом стакане, который установлен на трех регулируемых растяжках, соединенных с корпусом ЛА под защитной сеткой.
В предложенном патенте воздушные потоки, участвующие в работе несущего винта и рабочего колеса полностью независимы друг от друга.
Для разведения этих потоков разделительное устройство и рабочее колесо со вспомогательной входной системой само формирует и канализирует через себя воздушный поток, который и участвует в получении кинетической энергии воздушной массы, участвующей в перемещении ЛА в пространстве.
Повышение эффективности использования ЛА обусловлено скоростью его перемещения в пространстве, которая достигается увеличением скорости канализируемых пучков воздушной массы на выходе тубусов ЛА, что позволяет существенно увеличить скорость перемещения ЛА в пространстве.
ру
ру
Эта задача решается в предлагаемом аппарате благодаря тому, что с целью повышения надежности и эффективности работы ЛА он снабжен неподвижно установленным разделительным устройством расположенным между несущим винтом и рабочим колесом и малым стаканом внутри которого установлен подшипник соединенный с верхним краем вала двигателя, расположен малый стакана на трех центрируемых растяжках связанных с корпусом ЛА под защитной сеткой, разделительное устройство выполнены из кольцевой диафрагмы, ширина кольца которой больше ширины лопаток несущего винта, цилиндрического кольца, внутренний диаметр которого больше или равен диаметру внешнего лопаточного венца и К-тонкостенных перегородок направляющих каналов, равномерно расположенных по окружности, внешний край кольцевой диафрагмы соединен с торцом цилиндрического кольца, а само кольцо соединено с корпусом ЛА и имеет высоту равную длине лопаток внутреннего лопаточного венца, все входы К-перегородок направляющих каналов ориентированы вдоль направления воздушных потоков от внутреннего лопаточного венца, соединены они с кольцевой диафрагмой и входные грани перегородок выполнены ножевыми, а выходные грани перегородок установлены под углом γ между самой перегородкой и касательной к внутреннему диаметру цилиндрического кольца по направлению движения рабочего колеса и соединены направляющие перегородки также с внутренний поверхностью цилиндрического кольца, вспомогательная система соединена с внутренней плоскостью кольцевой диафрагмы перед тонкостенными перегородками по направлению движения воздушной массы, а редуктор соединен с несущим винтом.
ру
3
3
Все выходные грани К-перегородок могут быть установлены под углом γ по отношению к образующим цилиндрического кольца от его основания, обеспечивая тем самым поворот воздушной массы после их прохождения в сторону внешнего лопаточного венца. Так, например, угол γ может быть принят, равным 30°. В этом случае все перегородки имеют скрутку.
На фиг. 1 дан продольный разрез предлагаемого устройства и его возможная компоновка в легковом автомобиле.
На фиг. 2 - приведен вид сверху.
На фиг. 3 - приведен вид сбоку блока управления расположенного в головной части летательного аппарата (ЛА).
На фиг. 4 - показано положение углового патрубка по отношению к матрице воздуховодов при перемещении ЛА по курсу.
На фиг. 5 показан вид сбоку одного из 2-х блоков управления расположенных в задней части ЛА, где показано положение углового патрубка по отношению к тубусу соединенного с концом воздуховодов уложенных в плотную матрицу. Режим работы ЛА - взлет-посадка.
На фиг. 6 - показано положение углового патрубка в задней части ЛА при перемещении его по курсу. Вид в горизонтальной плоскости.
На фиг. 7 показаны форма и взаимное положение тонкостенных перегородок разделительного устройства расположенного между несущим винтом и рабочим колесом.
На фиг. 8 показан шариковый стабилизатор пространственного положения рабочего колеса с принудительным движением сепаратора.
На фиг. 9 приведен вариант возможного построения шарового пустотелого шарнира, две части которого соединены с двумя частями одного из тубусов, расположенного в задней части ЛА.
На внешнюю поверхность неподвижной части шарового шарнира 39 и на внутреннюю поверхность подвижной его части могут быть нанесены антифрикционные пленки, обладающие низким коэффициентом трения скольжения.
На фиг. 10 показан один из возможных вариантов редуктора, обеспечивающего вращение несущего винта в обратном направлении относительно рабочего колеса, соединенного с валом.
ЛА содержит: вал 1 рабочего двигателя, защитную сетку 2, установленную на входе ЛА, исключающую попадание на винт посторонних предметов, несущий винт 3, рабочее колесо 4 с двумя лопаточными венцами, вспомогательную систему 5, отклоняющую воздушный поток после внутреннего лопаточного венца 7 по радиусу рабочего колеса в сторону внешнего лопаточного венца 6 рабочего колеса, редуктор 8 соединенной с несущим винтом, воздуховоды 9, преобразователи-трансформеры 10, расположенные по кругу и заполняющие полностью кольцо под внешним лопаточной венцом, блоки управления 11 (1, 2, 3), каждый из которых связан с одним из трех блоков плотных матриц укладки воздуховодов, блок управления 12 компенсацией углового вращения ЛА, тубусы 13 состоящие из двух частей, одна из которых неподвижна установлена, а другая - с возможностью углового отклонения, обечайка 14 несущего винта, воздуховоды 15, 16, 17, 18 объединены в четыре блока плотных матриц, патрубок 19, винт перемещение 20, 24, имеющий винтовую канавку по которой передвигается гайка-каретка 22, 25, двигатель безредукторный моментный 21, 23 редуктор которого соединен с винтом перемещения, а статор закреплен неподвижно, толкатель 26, шаровая опора 27, рамка 28, шаровой шарнир из неподвижной части 33 и подвижной части 39, жалюзи 30 с блоком управления и его механизмом поворота, шариковая опора 31, включающая направляющие для шариков 34, 35, шарики 36, сепаратор 37, базовая поверхность 38 для опоры рабочего колеса, коническая шестеренка 40 соединенная с валом двигателя (ведущая коническая шестерня), коническая шестеренка 41, сателлит конические 42, шарикоподшипники 43, ось сателлитов 44, кольцевая диафрагма 45 разделительного устройства, тонкостенные перегородки направляющих каналов 46, воздухозаборники 47, цилиндрическое кольцо 48, тонкое кольцо 49 понизу соединенное с перегородками каналов, обеспечивающее их жесткость при прохождении воздушного потока.
Рабочее колесо 4 выполнено с двумя лопаточными венцами 6 и 7 (фиг. 1). Один из двух лопаточных венцов (внешний) расположен в зазоре, образованном краем рабочего колеса и корпусом ЛА. Другой лопаточный венец 7 (внутренний) рабочего колеса расположен внутри частично пустотелого рабочего колеса и ориентирован он таким образом, что отклоняемый им воздушный поток направлен вертикально вверх. Т.е. воздушные потоки от обоих лопаточных венцов идут в противоположных направлениях (параллельно друг другу). Конструкция рабочего колеса и вспомогательной системы 5 (фиг. 1) позволяет отклонить воздушный поток, прошедший через лопаточный венец 7 по горизонтали (по радиусу) в сторону внешнего лопаточного венца. Это способствует как повышению результирующей скорости воздушного потока на входе в преобразователи-трансформеры, так и стабильному заполнению всего кольцевого зазора воздушной массой.
Густота решетки (количество лопаток) обоих лопаточных венцов, угол установки профиля лопатки и его конфигурация определяется аэродинамическим расчетом исходя из обеспечения производительности устройства (максимального количества канализируемого воздушного потока) и скорости его на входе в преобразователи-трансформеры. Лопатки выполнены с бесциркуляционным обтеканием. Для расчетов принято значение числа лопаток (густота) в каждом из венцов, равным, например, 80÷100 штук. Во внешнем венце профиль лопатки выбирается из необходимости отклонения воздушного потока, при вращающемся колесе, вниз в сторону преобразователей-трансформеров 9, расположенных под ним. Внешний край этого венца может быть соединен со второй обечайкой. С внешним краем рабочего колеса и низом второй обечайки с его внутренней частью соединена мембрана вдоль всего периметра, формируя входную зону в неподвижно установленные преобразователи-трансформеры. Возможно создание уплотнения между подвижными и неподвижными частями.
Преобразователь-трансформер 10 и мембраны выполнены из тонкостенной полированной стальной ленты толщиной 0,5÷1 мм (например, по ГОСТ 21997-76).
2
Плотные матрицы укладки воздуховодов определяют конструктивные параметры рабочего колеса, например, размер каждого из воздуховодов равен 50×50 мм и, следовательно, площадь входа каждого из трансформеров должна также иметь 2500 мм. Данному условию соответствуют его средний размер, например, 62,5 мм × 40 мм, при этом больший размер трансформера лежит вдоль среднего диаметра внешнего лопаточного венца. Учитывая, что при плотной укладки четырех матриц их общее число равно 57, то при толщине стальных стенок трансформера равным 1 мм, длина окружности среднего диаметра внешнего лопаточного венца составляет  а его радиус ~585,4 мм (0,585 м).
При данном радиусе и максимальной угловой скорости при максимальной частоте вращения f = 25 Гц
w = 6,28 рад⋅25 = 157 рад/с,
линейная окружная скорость составит:
ок
υ = w⋅r = 91,8 м/с.
p
Оценим скорость воздушной массы на входе в преобразователи-трансформеры. Результирующая скорость υ воздушной массы складывается из двух составляющих: окружной скорости внешнего лопаточного венца и скорости воздушной массы от внутреннего лопаточного венца прошедшей через разделительное устройство.
Сложение двух скоростей действующих на один и тот же воздушный поток, направленных под углом друг к другу позволяют получить результирующую скорость перемещения воздушные массы.
вн
вн
Скорость от внутреннего лопаточного венца (радиальная), при его среднем радиусе, например, равном r = 0,45 м при частоте его вращения f = 25 Гц составит υ = 70,65 м/с. Но данная скорость составляет угол γ с направлением окружной скорости от внешнего лопаточного венца.
Представляет интерес оценить параметры результирующей скорости воздушного потока на входе в преобразователи-трансформеры при двух значениях угла γ:
1
2
cos γ = 45° и cos γ = 30°.
1
2
γ1
γ2
р1
р2
В первом случае значение угла равно γ = 0,707, а во втором - γ = 0,866 и, следовательно, радиальная скорость, спроектированная на окружную составит: υ = 49,9 м/с и υ = 61,2 м/с, и, следовательно, результирующая скорость будет соответственно υ = 141 м/с и υ = 152 м/с.
Каждый из n-преобразователей-трансформеров позволяет преобразовать 1/n часть площади кольца в квадрат, площадь которого равна 1/n площади кольца. Каждый из выходов преобразователей 10 соединен с одним из воздуховодов 9 (фиг. 1). Каждый из воздуховодов входит в одну из четырех плотных матриц укладки. По 16 штук при плотной их укладке (4×4) для трех групп плотных матриц 15, 16, 18 (фиг. 2) и одной из девяти штук при плотной укладке (3×3) 17 (фиг. 2).
Внутренние поверхности воздуховодов 9 должны иметь полированную (зеркальную) поверхность, что способствует снижению потерь скорости воздушной массы при ее прохождению по ним. (Например, шероховатость поверхности применительно к ГОСТ 2789-59 по классу чистоты 13 или 14).
С каждой плотной матрицы укладки соединен один из четырех блоков управления 11(1), 11(2), 11(13) и 12. Три из которых 11(1), 11(2), 11(13) пространственно разнесены по основанию ЛА (фиг. 2), а четвертый 12 расположен над блоком управления 11(1) в передней части ЛА.
Важной частью нормального функционирования ЛА является обеспечение стабильного пространственного положения рабочего колеса, т.к. вращающиеся его части, в частности край лопаточного венца 6 вращается, по сути, внутри неподвижной части преобразователей-трансформеров 10. Края каждого из трансформеров (вдоль внешнего и внутреннего диаметров) выполнены с ушками, за которые они крепятся к неподвижным кольцам. Зазор между подвижными и неподвижными частями может составлять малую величину (~ 1-2 мм).
В предложенном ЛА стабильность рабочего колеса достигается использованием шарикового стабилизатора пространственного положения рабочего колеса (фиг. 8). Одна из двух направляющих шарикового стабилизатора 34 соединена с низом рабочего колеса, а другая 35 - с базовым кольцом 38, соединенного с корпусом автомобиля. Базовое кольцо имеет отшлифованную плоскую поверхность, необходимой жесткости, обеспечивая пространственную стабилизацию вращающегося по ней шарикового стабилизатора (34, 35). Шариковый стабилизатор собран из условия обеспечения минимальных биений корпуса рабочего колеса (~ 50 мкм). На фиг. 10 показан один из возможных вариантов построения редуктора, обеспечивающего противоположное направление вращения несущего винта, относительно рабочего колеса, соединенного с валом рабочего двигателя. Редуктор содержит: коническую шестерню 40, соединенную с валом, две конические шестеренки 42 (сателлиты), выходную коническую шестерню, имеющую вращение в обратном направлении относительно вала (передаточное число i = -1) и скрепленный с ним несущий винт 3. На фиг. 10 также показаны: вспомогательная ось 44, на которой установлены сателлиты, и шарикоподшипники 43.
1
1
1
1
Функционирование ЛА связано с необходимостью его пространственного перемещения в воздушной среде. Это обеспечивается за счет возможности отклонения канализируемых воздушных потоков в задней части ЛА в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (по горизонту α и по вертикали β). Механизм углового перемещения обеспечивает отклонение подвижной части тубуса 13(2) фиг. 9, конструктивно соединенной с подвижной частью пустотелого шарового шарнира 33 фиг. 9 как в горизонтальной плоскости в диапазоне углов, равных α = ±25°, так и вертикальной плоскости в тех же углах β = ±25°.
Для реализации углового отклонения в вертикальной плоскости ЛА снабжен корытцем, охватывающем с нижней стороны шаровой шарнир (на чертеже не показан). В плоскости, содержащей центр вращения шарнира, ниже ее в цапфах установлен вал, конструктивно соединенный с корытцем, с возможностью его поворота, а на расстоянии -100 мм от вала вертикально расположен винт. Один конец винта закреплен в шарикоподшипнике, соединенного с корпусом аппарата, а другой в роторе двигателя безредукторного моментного (ДБМ). Статор ДБМ закреплен неподвижно на корпусе ЛА. При вращении винта по нему перемещается гайка (каретка) с которой соединена цапфа. Внутри цапфы расположен вал, имеющий скользящую посадку. Толкатель одним из двух концов установлен в цапфе винта, а другим концом он соединен с шаровой опорой, установленной на корытце. При перемещении гайки (каретки) при вращении винта вместе с ней перемещается толкатель, обеспечивая поворот корытца, а вместе с ней подвижную часть тубуса, обеспечивая тем самым отклонение воздушного пучка прошедшего через него в вертикальной плоскости.
1
Аналогично работает и механизм углового перемещения подвижного тубуса в горизонтальной плоскости. На подвижной части тубуса установлена рамка, а параллельно тубусу расположен винт 24 (фиг. 6). С одной стороны он закреплен в шарикоподшипнике, а с другой в роторе двигателя (ДБМ). Статор двигателя 23 и шарикоподшипник закреплены на корытце. Вдоль винта при его вращении перемещается гайка (каретка) 25 с которой соединена цапфа, внутри которой расположен вал со скользящей посадкой. К валу присоединен толкатель 26, который другим концом соединен с шаровой опорой 27, установленной на рамке 28. При вращении винта 24 по нему перемещается гайка (каретка) 25, а вместе с ней перемещается толкатель 26, который через шаровую опору 27 отклоняет рамку 28 и связанную с ней подвижную часть тубуса 13(2), в результате чего происходит отклонение воздушного пучка прошедшего через него. В горизонтальной плоскости пучок отклоняется в диапазоне углов α = ±25°. Для обеспечения нормального функционирования ЛА в горизонтальной плоскости аппарат может быть укомплектован вторым механизмом угловых перемещений, аналогичным первому, установленным с противоположной стороны рамки и скрепленный с корытцем. Особенностью работы ЛА при одновременном использовании двух механизмов угловых перемещений (одного из двух блоков управления, например, 11(2)) является перемещение гаек (кареток) по соответствующим винтам в противоположных направлениях. Для другого блока управления, установленного в задней части ЛА, например 11(3), используют аналогичный механизм, описанный выше для блока 11(2).
Воздушные потоки от блоков 11(2), 11(3) могут отклоняться независимо друг от друга в обоих плоскостях (в вертикальной и горизонтально), расширяя возможности перемещения транспортного средства в воздушной среде.
На фиг. 2 с помощью стрелки В показаны направления воздушного потока от блока управления.
т
в
т
Заполняют воздушным потоком весь кольцевой зазор внешнего лопаточного венца. Весь воздушный поток прошедший кольцевой зазор перехватывают с помощью n-преобразователей-трансформеров расположенных за кольцевым зазором и n гибких воздуховодов. Вход каждого из воздуховодов соединен с выходом одного из n-преобразователей-трансформеров. Объединяют все воздуховоды в четыре группы плотных матриц на их выходе (Фиг. 2, позиции 15, 16, 17, 18).
Пространственно разносят три группы плотных матриц вдоль основания ЛА, располагая одну из групп впереди ЛА, а две другие в его задней части на равных расстояниях от оси вращения винта, формируя три точки опоры ЛА, что делает его устойчивым при взлете - посадке (фиг. 1, фиг. 2). При взлете - посадке ЛА работает как его несущий винт, так и кинетическая энергия воздушной массы, перехваченная рабочим колесом и канализированная с помощью воздуховодов.
Рациональная разводка воздуховодов по четырем группам плотных матриц требует исключении или уменьшении поворотов воздуховодов под значительными углами с целью уменьшения динамического сопротивления при прохождении по ним воздушной массы. В этой связи целесообразно матрицу управления (3×3) из девяти преобразователей-трансформеров формировать не в задней части ЛА, а в его передней части поз. 12 (фиг. 1). С этой же целью допускается для ряда воздуховодов перед преобразователями-трансформерами вводить на их входе вставки позволяющие располагать трансформеры не вертикально, а горизонтально. Вставки формируют, также как преобразователи-трансформеры и соединяют с ними соответственно.
т
Вход во в ставку представляет собой как и у преобразователей-трансформеров 1/n часть кольца со средним диаметром, равным, например, 62,5 мм и радиальным размером, равным 40 мм, т.е. входная площадь его равна 2500 мм, а выход имеет форму прямоугольника со сторонами 62,5 мм и 40 мм. В этом случае преобразователи-трансформеры соединенные со вставкой должны иметь входное отверстие в форме того же прямоугольника.
Скорость подъема ЛА и пространственного его перемещения обеспечивается частотой вращения двигателя.
Перемещение ЛА по курсу обеспечивается за счет кинетической энергии канализируемого воздушного потока с помощью трех блоков управления отклоняющих воздушные потоки вдоль строительной оси ЛА после из прохождения через соответствующие три плотные матрицы воздуховодов. Четвертый блок управления обеспечивает пространственную стабилизация ЛА, т.е. в предложенном устройстве отсутствует хвостовая часть присущая традиционным вертолетам, что делает его компактным.
Новые транспортное средство предполагается, что оно будет работать в двух режимах: первый режим работы в качестве летательного аппарата и второй режим работы в качестве легкового автомобиля. В рамках данной заявки рассматриваются только первый режим работы - работа в качестве ЛА.
Рассмотрим работу ЛА отдельно для прохождения воздушной массы через рабочее колесо и через несущий винт.
Работает устройство следующим образом. В начальном положении, перед взлетом, угловые патрубки блоков управления 11 (1, 2, 3) фиг. 1 устанавливаются в исходное положение обеспечивая отклонения воздушных потоков прошедших через них вниз ЛА, стрелки А на фиг. 1. Скорость подъема ЛА и скорость его пространственного перемещения обеспечивается частотой вращения двигателя. Несущий винт и рабочее колесо работают независимо друг от друга используя собственные входные потоки.
воз
Полное разделение воздушных потоков для рабочего колеса и несущего винта требует обеспечения достаточного объема воздушной массы подаваемого для работы внешнего лопаточного венца. Вход воздушной массы осуществляют через n-воздухозаборники расположенные по разные стороны корпуса ЛА. Воздушная масса пройдя через воздухозаборники по сути используется для охлаждения двигателя обтекая его перед входом во внутренний лопаточный венец.
После прохождения воздушной массы через внутренний лопаточный венец рабочего колеса она вспомогательные системой 5 фиг. 1, конструктивно связанную с неподвижно установленной кольцевой диафрагмой отклоняется в направлении внешнего лопаточного венца проходя вдоль тонкостенных перегородок направляющих каналов 46 фиг. 9 изменяющих направление движения воздушной массы на угол γ.
Разделение воздушных потоков для несущего винта и рабочего колеса требует при выборе конструктивных параметров, обеспечить прохождение через них необходимой воздушные массы для полного и постоянного заполнения воздушной массой внешнего лопаточного венца при максимальной скорости вращения рабочего колеса и, как следствие этого, полное заполнение преобразователей-трансформеров воздушной массой.
При указанных результирующих скоростях объем воздушной массы на входе в преобразователи-трансформеры, после прохождения через внешний лопаточный венец за один оборот рабочего колеса, составит:
суммарная входная площадь преобразователей-трансформеров
Σ
1пр
2
S = S⋅57 = 0,1425 м
1об
За время равное одному обороту рабочего колеса t = 0,04 с (f = 25 Гц) при указанных результирующих скоростях
р1
p2
υ = 141 м/с и υ = 152 м/с
прохождение воздушной массы - третья координата, необходимого объема составит
для первого случая
для второго случая
а необходимый объем воздушной массы равен
для одного оборота рабочего колеса
1
3
2
3
об
1об
V = 0,8 м, V = 0,866 м
Данный объем для принятых параметров рабочего колеса должен также пропускать как внутренний лопаточный венец, так и суммарные воздухозаборники.
вн
Учитывая, что средний радиус внутреннего лопаточного венца меньше аналогичного среднего радиуса внешнего лопаточного венца, и, следовательно, линейная скорость его меньше, то обеспечить необходимый объем воздушной массы на входе во внешней лопаточный венец возможно только увеличив габариты внутреннего лопаточного венца, т.е. увеличив его площадь S
вн
2
2
S = π(R-r)
приняв, например, R = 0,5 м, а r = 0,38 м
вн
2
S = 0,33 м.
3
При окружной скорости внутреннего лопаточного венца время прохождения воздушной массы равно  а объем воздушной массы канализируемый внутреннем лопаточной венцом составит V = 0,93 м. То есть больше необходимого объема воздушной массы.
Входная площадь воздухозаборников также должна быть равна или больше площади кольца внутреннего лопаточного венца
воз
вн
S ≥ S
1
3
2
воз
воз
приняв количество воздухозаборников равным четырем, для одного из них S ≥ 0,08 м при ширине ~0,14 м и высоте равной 0,6 м площадь каждого из них будет S = 0,084 м.
воз
вн
2
Т.е. суммарная их площадь S больше необходимой S = 0,28 м. Воздухозаборники защищены защитной сеткой и жалюзи.
Воздушная масса, перехваченная внешним лопаточным венцом 6 рабочего колеса 5, полностью заполняет все пятьдесят семь входов воздуховодов. В начальный период работы ЛА воздушные потоки, канализируемые тремя блоками воздуховодов 15, 16, 18 фиг. 2, с помощью механизмов перемещения 20, 21 обеспечивают отклонение воздушных пучков вниз фиг. 3, фиг. 5 (стрелка А). По мере нарастания скорости вращения несущего винта 4 и рабочего колеса 5 нарастает как подъемная сила винта, так и кинетическая энергия канализируемой воздушной массы, что позволяет поднять ЛА над поверхностью земли. После отрыва ЛА от земли, при определенной скорости несущего винта и рабочего колеса, появляется возможность перевести ЛА в режим перемещения его по курсу, что обеспечивается частичным или полным перемещением угловых патрубков 19 с помощью соответствующих механизмов перемещения 20, 21. Так в носовой части ЛА угловой патрубок совмещается с выходным тубусом фиг. 4, а в задней части ЛА они наоборот выводятся из выходной зоны обоих тубусов 13 соответствующими механизмами фиг. 6. Направление воздушных потоков при этом на указанных фигурах обозначены стрелкой с буквой Б. Пространственное перемещение ЛА достигается с помощью двух воздушных потоков канализируемых в задней части ЛА, имеющих возможность независимых отклонений воздушных пучков, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Изменение скорости подъема-спуска осуществляется путем изменения скорости вращения несущего винта и рабочего колеса.
Вспомогательная система 5 установлена неподвижно и соединение ее с кольцевой диафрагмой позволило существенно облегчить конструкцию рабочего колеса.
нв
Необходимость комплексирования летательного аппарата (ЛА) с легковым автомобилем накладывают ограничение при выборе максимального диаметра несущего винта, поскольку он должен вписываться в габариты легкового автомобиля. В этом случае несущий винт будет расположен внутри корпуса автомобиля, что делает его безопасным при эксплуатации. Вписаться в указанные габариты корпуса может несущий винт имеющий максимальный диаметр ~1,25 м. Приняв количество его лопастей k равной 4.
нв
Несущий винт 3, образованный из k-лопастей, имеющих аэродинамический профиль и установленных под углом 8°÷10° к плоскости кольцевой диафрагмы разделительного устройства. Ширина лопастей, равна ~350 мм.
Лопасти несущего винта выполнены в виде кольцевых сегментов фиг. 2, заключенных между обечайкой 14 с внешней стороны и стаканом с внутренней. Стакан соединен с редуктором 8 (фиг. 10). Проекции лопастей несущего винта 3 на диафрагму имеют скважность между собой. В частности скважность, показанная на фиг. 2 равна длине лопасти несущего винта. Значение скважности может быть иной по отношению к ширине лопасти несущего винта, обеспечивая его подъемную силу.
Вращение несущего винта над кольцевой диафрагмой разделительного устройства фактический обеспечивает работу ЛА подобно его работе экрана-плана, увеличивая его подъемную силу, а сам несущий винт, фактически, представляет части вращающегося крыла, испытывающие подъемную силу при вращении.
Несущий винт вращается внутри корпуса ЛА с зазором по его диаметру Δ, равном например ~25 мм и с зазором относительно кольцевой диафрагмы h, равной ~ 50 мм. Кроме того, в корпусе ЛА по всему периметру напротив диаметра несущего винта установлены окна-щели. Оптимальное количество и ширина окон определяется аэродинамическим расчетом и экспериментальными исследованиями. Возможно круговое формирование окна. Оно также как и сверху ЛА должно быть защищено сеткой. В режиме работы транспортного средства в качестве легкового автомобиля все воздухозаборники должны иметь возможность закрытия.
Соединение обоих лопаточных венцов, выполненных в виде отдельных элементов, с двумя частями рабочего колеса может быть реализовано с помощью сварки их и соответствующей частью рабочего колеса и укреплено при помощи шпилек (винтов) через лопасти (или соединенные с лопастями).
Из гидро - и аэродинамики известно, что законы движения жидкостей справедливы и для газов, если скорость потока оказывается меньше скорости звука, поскольку в этом случае газы можно считать практически несжимаемыми. (Скорость звука в воздухе при температуре 0°С составляет 331,8 м/с).
При канализации воздушной массы через воздуховоды, пустотелый шаровой шарнир и тубусы фактически имеет место прохождение воздушной массы через различные сечения трубы. При течении по трубам, через любое сечение трубы за равные промежутки времени t должны протекать одинаковые объемы V, поскольку воздух в нашем случае практически несжимаем. Поэтому через сечение с меньшей площадью воздух (как и жидкость) проходит быстрее.
Если  - площадь сечения 1 (неподвижный тубус),
- площадь сечения 2 (подвижный тубус),
1
ν - скорость потока в сечении 1,
2
ν - скорость потока в сечении 2,
то уравнение потока (уравнение непрерывности) имеет вид
Или, говоря другими словами, чем меньше сечение выходного тубуса, тем выше скорость прохождения по нему воздушной массы.
Так, например, уменьшим размеры подвижного тубуса, конструктивно связанного с пустотелым шаровым шарниром с 200×200 мм до 140×140 мм мы увеличиваем скорость выходного потока в 2,04 раза.
Оценим потенциальные возможности данного ЛА. Как отмечалось выше, эффективность его работы определяется запасенной кинетической энергией воздушной массы, канализируемой с помощью аппарата. Известно, что кинетическая энергия определяется зависимостью
p
где υ - суммарная линейная скорость,
m - масса воздуха, канализируемая в единицу времени.
Определим обе эти величины.
р1
p2
Как отмечалось выше результирующая скорость на входе в преобразователи-трансформеры для принятых значений составляет υ = 141 м/с и υ = 152 м/с.
3
Канализируемая воздушная масса определиться из ее объема прошедшего в единицу времени и нормальной плотности воздуха ρ = 1,29 кг/м.
2
2
Объем воздушной массы определяется входной площадью всех 57 элементарных воздушных каналов и скоростью их заполнения в единицу времени. При входной площади каждого из 57 каналов 50×50 м их общая площадь составит S = 0,1425 м.
c
t
c
При суммарной скорости ν = 141 м/с за один оборот рабочего колеса (t = 0,04 с) третья координата для определения объема воздушной массы составит S = υt = 5,64 м
3
3
Σ
в
Объем канализируемой массы V за один оборот рабочего колеса составит V = 0,8 м, а общий объем канализируемой массы в единицу времени (f = 25 Гц), равен V = 20 м, а его масса составит m = 25,8 кг.
Подставив полученные значения в формулу кинетической энергии, найдем
Данная запасенная энергия позволяет перемещать ЛА с определенной скоростью. Скорость его перемещения определиться из значения
где m - масса ЛА.
1
2
Приняв массу, равной m = 2000 кг и m = 1500 кг, определим скорость перемещения ЛА для двух значений его массы.
1
ЛА
ЛА
В первом случае при m скорость перемещения равна υ = 16,0 м/с, что составляет υ = 57,6 км/ч.
2
ЛА
ЛА
Во втором случае при m скорость перемещения равна υ = 18,49 м/с, что составляет υ = 66,6 км/ч.
Увеличение скорости перемещения ЛА в пространстве может быть легко достигнута за счет повышения скорости канализируемых воздушных потоков через подвижные части тубуса.
p1
р2
С учетом уменьшения размера выходной площади подвижного тубуса с коэффициентом уменьшения, равным р = 2,04. Скорости на выходе ЛА составят υ = 287,6 м/с и υ = 310,08 м/с.
1
p1
2
p2
Повышение выходной скорости на выходе подвижного тубуса в р = 2,04 раза позволяет аналогичным образом увеличить скорость перемещения ЛА. Так при массе ЛА равной m = 2000 кг скорость перемещения ЛА может составить составят υ = 117,5 км/ч, а для массы ЛА, равной m = 1500 кг, она составит v = 135,9 км/ч.
зв
Представляет интерес оценить предельные скорости перемещения ЛА за счет изменения площади выходного тубуса, помня, что ее изменения ограничены скоростью звука в воздухе (ν = 331,8 м/с).
1
2
1
2
3
Как показывает оценка, при данной скорости размеры тубуса могут быть уменьшены до размера 130×130 мм, при этом скорость воздушного потока на выходе ЛА увеличивается в 2,37 раза и, соответственно, скорости перемещения ЛА для указанным масс m и m составят υ = 133 км/ч и υ = 154 км/ч соответственно. Дальнейшее увеличение скорости ЛА в пространстве может быть получено только путем увеличения канализируемой воздушной массы, а это требует увеличения мощности двигателя (Значение плотности воздуха ρ кг/м при расчетах приняты при температуре t = 0 Си давлении р = 101,3 кПа).
в
1
Для канализации полученной массы воздуха m = 25,8 кг с указанной скоростью 141 м/с запасенная энергия составила 256494 Дж. При этом она была запасена в течение одной секунды, что эквивалентно указанной мощности в ваттах. Выразив данную мощность в лошадиных силах (1 л.с. = 736 Вт) получим необходимую мощность Р для прокачивания указанной массы воздуха с полученной скоростью P = 348 л.с.
Оценим необходимую мощность для выхода ЛА на его максимальную скорость.
Момент сил, действующий на несущий винт и рабочее колесо и сообщающий ему угловое ускорение ε, равен
М = J⋅ε,
где J - момент инерции.
Несущий винт и рабочее колесо могут быть представлены в качестве дисков (реальное значение может быть получено только после конструктивной проработки). Величина J может быть найдена из зависимости
где m - масса диска,
r - радиус диска.
1
2
2
2
Оба вращаемых элемента (несущий винт  и рабочее колесо  выполнены пустотелыми) максимально облегчены. Приняв массу несущего винта, равным  а рабочего колеса  при радиусе r = 0,682 м получим значения J = 1,7кг⋅м, и J = 5,11 кг⋅м.
2
Приняв угловое ускорение ε = 31,4 рад/с (5 оборотов за 1 секунду) момент силы равен
М = 6,81⋅31,4 = 213,8 Н⋅м
При этом необходимая мощность в случае вращательного движения равна
Р = М⋅ω,
Р = 213,8⋅31,4 = 6713,3 Вт или Р = 9,12 л.с.
1
2
Оценим подъемную силу, создаваемую несущим винтом и скоростью подъема ЛА для выбранной массы m = 2000 кг и m = 1500 кг. Расстояние h между несущим винтом и рабочим колесом выбирается из условия работы подъемной силы крыла в свободном пространстве.
Подъемная сила крыла в свободном пространстве может быть оценена из зависимости
3
где R - подъемная сила, ρ - плотность воздуха (1,29 кг/м), А - площадь крыла, с - аэродинамический коэффициент, υ - линейная скорость.
2
Сумма площадей всех четырех лопастей равна А = 0,47 м.
Аэродинамический коэффициент с при угле наклона лопастей рабочего винта α = 8÷10 градусов имеющих аэродинамический профиль, равен с = 1,2÷1,4.
При максимальной скорости вращения несущего винта 25 Гц угловая скорость составляет 157 рад/с, а линейная скорость для среднего радиуса винта r ~ 0,425 м, равна 66,7 м/с. Для принятых значений подъемная сила R = 1888 Н.
Из основного уравнения динамики сила, равна
R = m⋅а.
1
2
1
2
Для принятых значений m и m скорость подъема ЛА составит υ = 0,94 м/с, υ = 1,3 м/с ("с" принята равной 1,4).
Поскольку несущий винт выполняет второстепенную функцию в перемещении ЛА в пространстве, целесообразно определить ту минимальную скорость вращения несущего винта при которой за счет подъемной силы винта, для выбранной массы, происходит эффект зависания (эффект трогания), а вся канализируемая воздушная масса через ЛА может быть использована для его перемещения в пространстве.
В начальный период взлета-посадки ЛА скорость вращения несущего винта минимальна. При скорости вращения винта, равной f = 10 Гц угловая скорость составит ω = 62,8 рад/с, а линейная скорость для среднего радиуса винта υ = 27 м/с.
Для принятых значений подъемная сила равна R ≈ 309 Н.
Из основного уравнения динамики R = m⋅а.
Приняв массу ЛА m = 1500 кг
2
а = R/m = 0,2 м/с.
2
В начале движения ЛА из состояния покоя его перемещение может быть найдено из зависимости S = a⋅t/2 и величина перемещения ЛА составит S = 0,1 м (эффект трогания).
Для массы ЛА m = 2000 кг минимальная частота вращения несущего винта, при которой происходит эффект зависания, увеличивается. Так при частоте f = 15 Гц ω = 94,2 рад/с, линейная скорость на среднем радиусе r ~ 0,425 м составит 40 м/с, а подъемная сила составит R = 663 Н.
2
При этом ускорение а = 0,34 рад/с. Величина линейного перемещения ЛА в секунду составит S = 0,17 м, т.е. при указанной частоте вращения несущего винта и массе ЛА наблюдается эффект зависания и угловые патрубки имеют возможность постепенного пошагового перемещения для трех блоков управления 11(1), 11(2), 11(3) фиг. 2. Они начинают отклонять воздушные потоки вдоль основания ЛА, тем самым переводя его в режим движения. Изменение скорости подъема-спуска осуществляется путем изменения скорости вращения двигателя.
Оценим необходимую мощность рабочего двигателя
1
2
P = P+P,
1
2
где P - мощность, обеспечивающая прокачку необходимого воздуха через устройство, Р - мощность, необходимая для преодоления сопротивления при вращении винта и лопаточных венцов рабочего колеса.
1
P = 348 л.с.
2
нв
1лв
2лв
P = Р+Р+Р,
нв
где Р - мощность, необходимая для преодоления сопротивления несущего винта,
1лв
Р - мощность, необходимая для преодоления сопротивления внешнего венца рабочего колеса,
2лв
Р - мощность, необходимая для преодоления сопротивления внутреннего венца рабочего колеса.
Мощность необходимая при движении тела против потока равна произведению силы на скорость
2
Р = F⋅υ,
где F - сила (гидравлическое сопротивление), υ - относительная скорость движения тела в среде.
Поскольку сила равна произведению давления на площадь F = Р⋅А, имеем
где с - безразмерное число (для тела обтекаемой формы - аэродинамическое крыло с = 0,05), А - площадь наибольшего сечения тела в плоскости, перпендикулярной направлению потока.
нв
2
Ребро аэродинамического профиля Н = 1,5 см, а его длина L = 22,5 см, количество лопастей k = 4. Общая площадь А = 0,0135 м, υ - скорость среднего радиуса несущего винта -107 м/с.
Тогда
2
с учетом пересчета единиц мощности Р ≈ 0,72 л.с.
1лв
2лв
Оказывают гидравлическое сопротивление и входные ребра обоих лопаточных венцов рабочего колеса. При количестве лопаток в каждом венце, равном 200 штук, имеющих аэродинамический профиль с длиной входной грани ~ 35 мм и шириной каждой входной грани Н = 3 мм мощность необходимая для преодоления сопротивления при движении двух лопаточных венцов против потока определиться из приведенной выше зависимости для несущего винта. Для аэродинамического профиля лопаток с = 0,05, получим, что Р = 1,1 л.с, а Р = 0,72 л.с. Необходимая результирующая мощность двигателя для выбранных параметров с учетом мощности прокачки воздушной массы, равна
Р = 350 л.с.
Т.е. необходим двигатель с мощностью Р ≈ 350 л.с.
В настоящее время двигатели, обладающие такой мощностью, хорошо известны в автомобильной промышленности. Использование разработанных двигателей в предлагаемом устройстве делает ЛА по цене соизмеримым с обычном автомобилем.
Отсутствие в ряде районов страны шоссейных дорог делает решение о создании фактически нового транспортного средства актуальным.