Электрический летательный аппарат
ELECTRIC AIRCRAFT

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Технический результат заключается в увеличении общей продолжительности полета и в повышении эксплуатационных качеств аппарата в части повышения безопасности полета и упрощению системы управления аппаратом.
В последнее время в мировой авиационной промышленности наблюдается тенденция на использование в летательных аппаратах в качестве силовой установки электрических двигателей. Использование электромоторов не наносит вред экологии и существенно удешевляет эксплуатацию таких летательных аппаратов. При этом электрические вертолеты лишены одного из главных недостатков своих обычных собратьев - относительно долгой предвзлетной подготовки, запуска двигателя и раскрутки винтов перед взлетом.
Из уровня техники известен электрический вертолет японской компании Hirobo (http://gearmix.ru/archives/23668).
Вертолет использует соосную схему расположения лопастей. Электрический мотор расположен внутри кабины вертолета. К недостаткам вертолета относятся ограниченное время полета, ограниченное внутреннее пространство за счет размещения силовой установки в кабине вертолета и сложность системы управления.
Прототипом заявляемого изобретения является вертолет на электрической тяге (патент РФ №2752431, В64С 27/04, дата публикации 28.07.2021), содержащий каркас, винтомоторную установку в виде двух соосных электрических моторов, которая крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси вертолета.
По сравнению с заявляемым изобретением прототип имеет следующий недостаток - ограниченная продолжительность полета.
Основными преимуществами заявляемого изобретения являются увеличение общей продолжительности полета и повышение безопасности полета аппарата. Эти преимущества достигаются за счет следующих конструктивных особенностей аппарата:
1. Наличие самолетных крыльев. При полете аппарата вперед на крыльях возникает дополнительная аэродинамическая подъемная сила, способствующая увеличению общей продолжительности полета аппарата. Наличие самолетных крыльев обеспечивает также безопасную аварийную посадку аппарата в случае полного отказа моторов силовой установки.
2. Возможность использования электрических моторов не только в качестве силовой установки для осуществления полета и управления летательным аппаратом, но и в качестве генераторов электрического тока для подзарядки аккумуляторных батарей аппарата при переводе аппарата в режим парения с использованием атмосферных восходящих воздушных потоков или динамических потоков, возникающих под действием ветра.
3. Возможность использования лопастей с большим дисковым отношением по подобию лопастей вентиляторного типа или лопастей гребного винта. Лопасти подобного типа обеспечивают более высокое тяговое усилие по сравнению с классическими вертолетными лопастями. Использование лопастей описанного типа обеспечивает также безопасную аварийную посадку аппарата в режиме авторотации.
Обобщенно технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств аппарата благодаря увеличению общей продолжительности полета, повышению безопасности и упрощению системы управления вертолетом.
Заявляемый электрической летательный аппарат иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1- 4.
Фиг. 1 - общий схематический вид летательного аппарата
Фиг. 2 - варианты кольцевидного мотора в упрощенном виде.
Фиг. 3-общий вид летательного аппарата с широколопастным винтом.
Фиг. 4 - режимы полета вертолета.
Летательный аппарат на электрической тяге конструктивно представляет собой гибрид летательного аппарата вертикального взлета и посадки и самолета. Общий схематический вид летательного аппарата показан на фиг.1.
Как видно из рисунка фюзеляж 1 летательного аппарата имеет сферическую форму, в верхней части которого размещены два самолетных крыла 2. В силовой установке аппарата используются кольцевидные электрические моторы 3 с внешним расположением ротора, расположенных соосно друг под другом. Для компенсации реактивного момента роторы моторов вращаются в противоположных направлениях. Силовая установка крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси аппарата. К роторам моторов прикреплены лопасти аппарата 4. На рисунке для простоты восприятия показаны упрощенные изображения лопастей без детализации в части формы лопастей, их профиля и количества.
Конструктивная особенность кольцевидного мотора позволяет выполнить оригинальное нестандартное размещение и крепления мотора относительно фюзеляжа летательного аппарата.
На фиг.2 представлены два варианта кольцевидного мотора в упрощенном виде. Как видно из рисунка статор 5 и ротор 6 мотора имеют кольцевидную форму. Первый вариант представляет мотор с внешним расположением ротора 6, второй вариант - с внутренним расположением ротора 6. Более подробно описание кольцевидного мотора изложено в материалах изобретения, имеющего патент РФ №2752431, Н02К 31/00, дата публикации 28.07.2021. В заявляемом летательном аппарате используются два соосно размещенных кольцевидных мотора с внешним расположением ротора. В этом случае становится возможным часть корпуса вертолета или весь корпус целиком разместить в свободной внутренней центральной области кольцевидных моторов. Таким образом кольцевидные моторы будут опоясывать корпус вертолета снаружи. Возможен вариант крепления моторов, при котором та часть фюзеляжа базовой конструкции аппарата, которая размещается во внутренней центральной части кольцевидных моторов, выполнена в форме шарового пояса. В этом случае, моторы и часть фюзеляжа будут иметь общий центр по типу шарового шарнирного соединения, с возможностью кругового наклона плоскости моторов на требуемый угол относительно общего центра. Описанный вариант размещения моторов для заявленного летательного аппарата наглядно продемонстрирован на фиг.1.
Конструктивная особенность кольцевидных моторов предоставляет также преимущества в части применения лопастей по форме, профилю и размерам, отличающихся от классических лопастей вертолетного типа. Большой внешний диаметр ротора позволяет применять лопасти с высоким дисковым отношением по подобию лопастей вентиляторного типа или лопастей гребного винта. На фиг.3 представлен вид сверху двух летательных аппаратов, отличающихся друг от друга использованием широколопастных лопастей разного профиля и количества. Для простоты восприятия на рисунке показаны лопасти только одной винтомоторной группы без лопастей второго соосного мотора. Дисковое отношение зависит от количества и формы лопастей и является одной из основных характеристик винта. Высокое дисковое отношение способствует эффективному использованию естественных воздушных потоков при переводе аппарата в режим парения, а также обеспечивает возможность безопасного приземление аппарата в режиме авторотации в случае отказа моторов. Использование кольцевидных моторов позволяет в широких пределах варьировать типы используемых лопастей, отличающихся размерами, шагом, профилем и количеством лопастей.
Одной из основных конструктивных особенностей заявляемого изобретения наряду с наличием самолетных крыльев и лопастей вентиляторного типа, является использование кольцевидного электрического мотора как в качестве силового двигателя для осуществления полета и управления летательным аппаратом, так и в качестве генератора электрического тока при переводе аппарата в режим парения с использованием атмосферных восходящих воздушных потоков или динамических потоков, возникающих под действием ветра. На фиг.4 показаны два основных режима полета вертолета. В режиме штатного нормального полета а) оба мотора 3 работают как силовые двигатели, причем роторы моторов вращаются в противоположных направлениях. Возникает подъемная сила. Воздушный поток поступает на плоскость вращения лопастей 4 сверху.
При выключении двигателя (или его отказе) вертолет начинает снижаться, и воздушный поток попадает на плоскость лопастей 4 уже снизу. Возникает сильное давление на лопасти 4 вертолета, что заставляет их вращаться в ту же сторону, что и при работающем двигателе, и одновременно на лопастях возникают аэродинамические силы, которые сильно замедляют вертикальное снижение вертолета. В технической литературе такой режим полета называется авторотацией, в заявке этот режим условно назван парением б). Парение или зависание вертолета в воздухе возможно при сильных атмосферных восходящих воздушных потоках или динамических потоках, возникающих под действием ветра. Кроме этого на способность парения или зависания заявляемого аппарата влияет размер ометаемой площади лопастей и величина дискового отношения воздушного винта. В режиме парения б) оба электрических мотора 3 работают в качестве генератора электрического тока.
Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств аппарата благодаря увеличению общей продолжительности полета, повышению безопасности полета и упрощению системы управления.