Складываемый воздушный винт
FOLDING PROPELLER

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике, в частности, к силовой установке летательного аппарата, в качестве движителя. Изобретение может быть использовано при разработке любых летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, использующих крыло для создания подъемной силы во время крейсерского полета.
Складываемый винт, обладает преимуществами по сравнению с обычным подъемным винтом, так как во время полета он имеет возможность складываться и убираться в обтекатель, который в свою очередь, будет создавать меньшее сопротивление по сравнению с неубранным подъемным винтом.
Останавливаемые подъемные винты, находящиеся в воздушном потоке на крейсерском режиме, ухудшают аэродинамику конвертируемого ЛА, создают дополнительное аэродинамическое сопротивление и моменты. На концах лопастей могут возникать аэроупругие явления.
С целью уменьшения вредного влияния неиспользуемых подъемных винтов желательно их убирать в агрегаты планера (фюзеляж, крыло), либо в специальные гондолы. Для этого необходимо уменьшить габариты убираемых винтов, чтобы уменьшить объем и габариты необходимого для их уборки отсека или гондолы.
В случае, если уборка подъемных винтов не применяется, то винт в сложенном состоянии проще зафиксировать относительно консольных балок, на которых размещаются подъемные винтомоторные группы, что позволит также снизить вредное аэродинамическое сопротивление и моменты.
В большинстве известных конструкций аналогов складываемого воздушного винта, имеющего 2 или более лопастей, лопасти складываются в плоскостях, проходящих через ось вращения винта, по направлению создания тяги, либо против. Складывающиеся лопасти убираются в кок винта (патент РФ №2456206, МПК В64С 11/28, 2012 г.), поворачиваются по потоку и прижимаются к поворотной мотогондоле, также вдоль оси вращения. Такое же решение описано в патенте США №. 2369276, МПК В64С 11/28,1945 г. для двухлопастного винта. Такая конструкция системы складывания нефункционирующего в крейсерском режиме винта применяется для мотопланеров и беспилотных летательных аппаратов, когда силовая установка используется только на определенных режимах полета.
Недостатками складываемого подъемного винта, с лопастями, складываемыми вдоль оси вращения, являются его увеличенные габариты. Для его размещения вдоль потока гондолу вместе с двигателем необходимо поворачивать. При таком решении масса силовой установки увеличивается за счет механизма поворота.
Существуют системы складывания несущих винтов вертолетов, когда лопасти складываются в плоскости его вращения (патенты США №5211538, МПК В64С 27/50, 1993 г.: №6860450 МПК В64С 27/50, 2005 г.: №7798442, МПК В64С 27/00, 2010 г.). Такие конструкции применяется только для складывания несущего винта вертолета при его транспортировке, либо для палубных вертолетов, когда они хранятся в ангаре внутри авианесущего корабля.
Для конвертируемого ЛА существует необходимость складывания подъемных винтов для уменьшения их аэродинамического сопротивления на крейсерском режиме полета. При этом, для того чтобы исключить необходимость поворота самого подъемного двигателя, лопасти несущего винта должны складываться в плоскости его вращения, аналогично тому, как это делается при транспортировке вертолетов. Такая конструкция функционально должна обеспечить складывание винта при воздействии аэродинамических нагрузок в переходном режиме полета конвертируемого ЛА.
В частности, в качества прототипа выбрана конструкция складываемого винта, примененная в проекте конвертируемого ЛА американской компании Joby aviation (Multifunctional Rotor Concept for Quiet and Efficient VTOL Aircraft. AIAA, Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, 12-14 August 2013, Los Angeles, California). Проект показан в приложении на фиг. 1 во взлетно-посадочной конфигурации, и на фиг. 2 в крейсерской конфигурации. Двухлопастные винты 1, расположенные на законцовках крыла 2 во взлетно-посадочной конфигурации (фиг. 1) используются в качестве подъемных, а в крейсерской конфигурации (фиг. 2), их лопасти 3 прижимаются друг к другу, образуя удлиненные законцовки крыла.
Конструкция складываемого винта на фиг. 3 показана во взлетно-посадочной конфигурации, а на фиг. 4 - в крейсерской. Перемещение лопастей 3 относительно друг друга осуществляется путем их позиционирования и удержания в заданном положении внутри ротора 4 электродвигателя 5 с помощью соленоидных катушек и связующей микросхемы точного положения 6. Обе лопасти 3 вращаются относительно общей оси вращения винта.
В такой конструкции перемещение и фиксация лопастей относительно друг друга выполняется с помощью элементов электрического двигателя. Такая конструкция недостаточно надежна, аэродинамические моменты и силы, возникающие при работе винта, или обтекании его воздушным потоком, передаются на элементы конструкции электродвигателя, что требует их усиления.
Задачей изобретения является разработка складываемого воздушного подъемного винта.
Техническим результатом настоящего изобретения является как обеспечение высокой эффективности летательного аппарата на режимах вертикального взлета и посадки, так и снижение потерь, обусловленных уменьшением аэродинамического сопротивления вследствие складывания для уменьшения габаритов и возможности дальнейшей уборки в обтекатель.
В данном изобретении рассматривается двухлопастный винт с фиксированным шагом, рассчитанный и оптимизированный на режим взлета и посадки конвертируемого или вертикально взлетающего ЛА.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в складываемом воздушном винте, содержащем две лопасти, складываемые в плоскости вращения винта, втулку, для установки на валу привода, одна лопасть соединена со втулкой без возможности поворота в плоскости вращения винта, а вторая лопасть выполнена с возможностью поворота относительно оси, не совпадающей с осью вращения винта, с упором лопасти в убранном и рабочем положениях в соответствующие опорные поверхности втулки. Дополнительно содержит управляемые дистанционно замки для фиксации складываемой лопасти в убранном и рабочем положениях и как минимум, одно демпфирующее устройство, для амортизации удара складываемой лопасти о втулку винта при перемещении ее из рабочего положения в сложенное и в обратном направлении
Фиг. 1 - Концепция конвертируемого ЛА компании Joby aviation с применением многофункциональных винтов во взлетно-посадочной конфигурации
Фиг. 2 - Концепция конвертируемого ЛА компании Joby aviation с применением многофункциональных винтов в крейсерской конфигурации
Фиг. 3 - Многофункциональный складываемый винт во взлетно-посадочной конфигурации (прототип)
Фиг. 4. - Многофункциональный складываемый винт в крейсерской конфигурации (прототип)
Фиг. 5 - Складываемый двухлопастный винт с раздельной осью вращения убираемой лопасти в рабочей (взлетно-посадочной) конфигурации
Фиг. 6 - Складываемый двухлопастный винт на переходном режиме ЛА в момент складывания лопасти
Фиг. 7 - Винт в сложенном состоянии на крейсерском режиме ЛА
Складываемый винт представляет собой двухлопастный, дозвуковой подъемный воздушный винт, состоящий из двух лопастей, состыкованных между собой по схеме ухо-вилка, на фиг. 5 показан в рабочей (взлетно-посадочной) конфигурации. Лопасть 2 зафиксирована относительно втулки 1, представляют собой единое целое. Ось вращения винта 4, в большинстве случаев являющаяся также и валом двигателя, закрепляется неподвижно во втулке 1. Убираемая, или складываемая лопасть 3, ось вращения 5 которой находится во втулке 1 фиксированной лопасти 2, располагается на небольшом расстоянии от оси (вала) винта. Такая конструкция с разнесенными осями позволяет складывать две лопасти, в плоскости вращения винта, до момента крайнего положения, тем самым уменьшая их габариты в сложенном виде. Для фиксации угла поворота в 180° на убираемой лопасти 3 расположены штоки фиксации 6 с двух сторон основания (комлевой части с вилкой крепления) лопасти 3, которые помогают зафиксировать убираемую лопасть 3 в крайних положениях. На фиг. 5 складываемый винт создает подъемную силу (статическую тягу) вверх при его вращении по часовой стрелке.
При переходном режиме полета конвертируемого (преобразуемого) ЛА подъемные винты останавливаются. Для осуществления складывания, фиксированная лопасть 2 проворачивается вместе с валом винта 4, за счет аэродинамической силы, в противоположную сторону (стрелкой показано направление вращение вала винта), как показано на фиг. 6, при этом специальный замок внутри втулки 1 освобождает фиксатор 6 и убираемая лопасть начинает угловое движение относительно оси 5, как показано на фиг. 6.
Необходимо отметить, что может быть выполнен и другой вариант конструкции без реверсирования направления вращения вала 4 для складывания лопасти 3. Для этого потребуется установка специального дополнительного механизма для углового перемещения лопасти 3 относительно оси 4 из рабочего положения в сложенное, имеющего электрический, пневматический или гидравлический привод. Такие устройства известны и применяются для выпуска элементов механизации крыла самолетов, либо также для складывания лопастей вертолетов, но не в переходном режиме полета, а на стоянке, для уменьшения габаритов несущего винта. Выбор такого варианта зависит от компоновочных решений на летательном аппарате, где будет использоваться складываемый винт.
На фиг. 7 показана завершающая фаза складывания винта, где лопасть 3, совершив поворот ~на 180° относительно оси 5 прижимается к втулке винта 1, другой фиксатор 6 входит в отверстие 7 (фиг. 6) и закрепляется с помощью специального замка фиксации.
При раскладывании лопасти винта процесс происходит в обратном порядке. Фиксирующий замок отпускает фиксатор 6, после чего, вал 4 начинает вращаться в направлении, показанном на фиг. 5, при этом лопасть 3 под действием аэродинамичекой силы поворачивается на 180° и прижимается к основанию втулки 1, после чего также фиксируется с помощью другого фиксатора 6 и замка фиксации в рабочем положении.
Для складываемого винта предлагаемой конструкции может быть предусмотрен амортизатор, смягчающий удар лопасти 3 о втулку 1, при перемещении ее из рабочего положения в сложенное, и в обратном направлении. Необходимость и конструкция такого амортизатора зависит от массы и размеров винта. Амортизатор может быть встроен в конструкцию втулки 1 и использовать механические (пружинные), газовые или гидравлические амортизирующие элементы. Наиболее простой вариант амортизатора для складываемого винта беспилотного или легкого ЛА - это резиновые прокладки на соприкасающихся поверхностях основания втулки 1 и комлевой части лопасти 3.
Теоретический расчет показал, что в предлагаемом изобретении решается вопрос надежной и простой фиксации складываемой лопасти за счет конструкции втулки винта, которая служит опорным элементом для крайних положений убираемой лопасти, а также расположением отдельной оси поворота убираемой лопасти, не совпадающей с осью вращения винта. При этом винт в рабочем положении (разложенном), имеет сбалансированную относительно оси вращения конструкцию в рабочем и убранном положении, что позволяет применять складываемый воздушный винт для улучшения показателей аэродинамического сопротивления на крейсерском режиме летательного аппарата вертикального взлета и посадки.