Конвертируемый летательный аппарат
CONVERTIBLE AIRCRAFT

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике. Изобретение может быть использовано при разработке гражданских летательных аппаратов, в частности вертикального взлета и посадки.
Конвертируемые ЛА, выполненные в классической конструктивно-силовой схеме, воплотившей в себе уникальную способность сочетать преимущества вертикального взлета - посадки и крейсерского полета с опорой на крыло, способны решить проблемы оснащения воздушными гаванями удаленные районы нашей страны, где отсутствуют возможности использования альтернативных видов транспорта, тем самым получили бы широкое применение. Процесс конвертирования ЛА происходит в полете путем складывания двухлопастного винта по потоку и последующей уборки в предназначенную для ее размещения в крейсерском полете гондолу или обтекатель.
Применение многовинтовой схемы, в частности, с электрическими двигателями, решает проблему безопасности при отказе и позволяет использовать двигатели без редукторов, что снижает вес и упрощает конструкцию.
Аналогами являются конвертируемые ЛА, приведенные в патентах USA №US20150274290А1 и №ЕР2669195А1.
В первом из выше представленных патентов подъемные винты, расположенные в мотогондолах на концах крыла, поворачиваются вместе с двигателями на 90° в процессе переходного режима, а затем винт останавливается и его лопасти складываются вдоль оси вала двигателя по потоку. Во втором патенте часть винтомоторной группы (ВМГ) на переходном режиме убирается внутрь фюзеляжа путем поворота или складывания пилона, на котором они крепятся, а оставшаяся поворачивается на 90° вместе с пилоном и работает в качестве маршевой ВМГ на крейсерском режиме.
Недостатком таких концепций ЛА является необходимость в системе поворота ВМГ в вертикальной плоскости. Использование такой системы значительно увеличивает вес конструкции аппарата, а сложенные подъемные ВМГ в крейсерском режиме полета находятся в потоке и создают дополнительное сопротивление в случае аппарата, представленного в патенте USA №US20150274290A1.
Прототип - летательный аппарат по патенту №ЕР2669195А1 в котором предлагается 9 вариантов компоновки 6-ти и 4-х подъемных ВМГ на конвертируемом ЛА, часть которых на переходном режиме - две, три или четыре убираются внутрь фюзеляжа путем поворота или складывания пилона, на котором они крепятся, а одна или две ВМГ поворачиваются на 90° вместе с пилоном и работают в качестве маршевой ВМГ на крейсерском режиме. Винты не складываются и не изменяют геометрии.
Фиг. 1 - Конвертируемый летательный аппарат (прототип) с убираемыми в фюзеляж подъемными винтами во взлетно-посадочной конфигурации.
Фиг. 2 - Конвертируемый летательный аппарат (прототип) с убираемыми в фюзеляж подъемными винтами в крейсерской конфигурации.
На Фиг. 1 показано концептульное решение №6 патента №ЕР2669195А1, конвертируемый ЛА находящийся во взлетно-посадочной конфигурации. К фюзеляжу 1 крепятся два поворотных в горизонтальной плоскости пилона (консольные балки) 6, на концах которых установлены четыре ВМГ с подъемными винтами 5. Винт 4 с двигателем установлен в хвостовой части фюзеляжа и предназначен для создания пропульсивной силы на крейсерском режиме полета летательного аппарата. Винт 4 не меняет своего положения в зависимости от конфигурации летательного аппарата, при взлете и посадке работает в режиме минимальной тяги. Крыло 3 и стабилизатор 2 является «чистыми», на нем не закреплено никаких элементов силовой установки летательного аппарата, их положение и геометрия не меняются в зависимости от конфигурации летательного аппарата.
Крейсерская конфигурация конвертируемого ЛА (прототипа) показана на фиг. 2. В переходном режиме пилоны 6 вместе с подъемными ВМГ 5 поворачиваются вокруг осей, закрепленных в фюзеляже 1, находящихся в положении, близком к плоскости симметрии летательного аппарата, на угол ~ 90°, убираются и размещаются в нише внутри фюзеляжа. Винт 4 в крейсерской конфигурации работает, обеспечивая необходимую тягу.
Данное решение наиболее применимо к летательным аппаратам, имеющих размерность малых беспилотных ЛА (взлетной массой до 1000 кг).
Для летательных аппаратов большей размерности, имеющих ограничение по удельной нагрузке на винт, диаметры подъемных винтов 5 будут достигать значительных размеров, соизмеримых с полуразмахом крыла 3, что соответствует реальным размерам конвертируемого летательного аппарата, имеющего пассажировместимость 9-19 мест и более. В таком случае длина пилонов 6, которая должна быть не менее величины, равной сумме двух диаметров подъемных винтов плюс ширина фюзеляжа. При такой геометрии, для уборки и размещения нескладываемых подъемных винтов 5 с двигателями потребуется фюзеляж, носовая и хвостовая часть которого должны быть по длине существенно больше полуразмаха крыла, также убираемые в фюзеляж винты будут занимать значительный объем, который усложнит компоновку пассажирского салона и потребует значительного увеличения омываемой поверхности, а, следовательно, аэродинамического сопротивления.
Задачей изобретения является создание летательного аппарата для местных и региональных авиационных перевозок вертикального взлета и посадки, обеспечивающего требуемые характеристики. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение высоких скоростных и экономических характеристик. Предлагаемая конструкция и способ складывания и уборки подъемных винтов исключает вероятность создания отрывного потока, различных неуправляемых моментов и флаттера.
Предполагаемое конструктивное решение обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом. Двухлопастные винты складываются по потоку при уборке, и размещаются попарно, что позволяет уменьшить занимаемые ими объемы в обтекателе и минимизировать воздействие аэродинамического сопротивления. Размещение крепления убираемых ВМГ в обтекателях на крыле позволяет их сделать короче и легче, а главное сохранить полезный объем фюзеляжа для транспортировки грузов и пассажиров.
Фиг. 3 - Конвертируемый летательный аппарат со складываемыми и убираемыми в обтекатели на крыле подъемными винтами во взлетно-посадочной конфигурации.
Фиг. 4 - Конвертируемый летательный аппарат в переходной конфигурации.
Фиг. 5 - Конвертируемый летательный аппарат в крейсерской конфигурации.
Предлагаемая конструкция конвертируемого ЛА во взлетно-посадочной конфигурации показана на фиг.3, имеет фюзеляж 1, хвостовое оперение 2, крыло 3 с маршевой ВМГ, включающей воздушные винты 4, а также дополнительные подъемные ВМГ 5, размещенные симметрично по обе стороны крыла на выдвижных пилонах (консольных балках) 6 в обтекателях 7. При вертикальном взлете и посадке ВМГ 5, размещенные на выдвижных пилонах 6, размещенных в обтекателях 7, создают вертикальную тягу.
В переходной конфигурации, показанной на фиг. 4, винты маршевой ВМГ 4 создают горизонтальную тягу. Воздушные винты ВМГ 5 останавливаются, складываются вдоль выдвижных пилонов 6 в плоскости вращения винтов и убираются в обтекатель 7 с помощью специальных приводов.
В крейсерской конфигурации на фиг. 5 подъемные ВМГ 5 на выдвижных пилонах 6 полностью убираются в обтекатель 7 с помощью специальных приводов, размещаясь по параллельным осям друг над другом в одной вертикальной плоскости. Пропульсивную тягу создают воздушные винты маршевой силовой установки 4, расположенные на конце крыла 3.
Сформулированное техническое задание было достигнуто исходя из расчетов и проведения ряда исследований. Достигается высокая энергетическая эффективность винтов, как на режимах вертикального взлета и посадки, так и в крейсерском полете, а предлагаемая конструкция исключает вероятность создания отрывного потока, различных неуправляемых моментов и флаттера.