СИЛОВАЯ УСТАНОВКА АЭРОСТАТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
POWER UNIT OF AEROSTATIC MODULE OF TRANSPORT SYSTEM

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно, к силовым установкам аэростатических модулей транспортной системы.
Аэростатические модули транспортной системы входят в класс гибридных аэростатических летательных аппаратов. Они снабжены винтомоторными установками вертолетного типа с несущими винтами, главными редукторами и двигателями, являющимися источниками мощности. В качестве источников мощности могут служить поршневые двигатели (ПД), турбовальные двигатели (ТВлД) или электродвигатели (ЭД)). Энергоносителем для источников мощности является углеводородное топливо (для ПД и ТВлД) или электроэнергия (для ЭД). Энергия источников мощности передается большим массам воздуха, отбрасываемым несущими винтами, поэтому винтомоторные установки вертолетного типа являются наиболее экономичным способом создания подъемной силы независимо от скорости полета и очень выгодны для применения в дирижаблях. Они вносят существенный вклад в создание общей подъемной силы гибридного дирижабля и, одновременно, обеспечивают маршевую тягу за счет пропульсивной составляющей тяги несущих винтов. Управление по курсу и тангажу производится за счет дифференциального изменения тяги несущих винтов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также за счет управления аэродинамическими силами на оболочке дирижабля и хвостовом оперении. Благодаря таким свойствам гибридный дирижабль обладает высокой маневренностью и точностью управления, что особенно важно для безопасности взлетно-посадочных режимов в условиях присутствия ветра. Этим гибридные дирижабли выгодно отличаются от дирижаблей классического типа.
При создании аэростатического модуля транспортной системы (МТС) ключевую роль играют решения, реализуемые в конструкции базового модуля. Анализ опубликованных проектов показывает, что описанные в них конструкции, как правило, скомпонованы так, что их нельзя использовать в качестве базового аппарата МТС. В частности, по причине поперечной компоновки силовых установок.
Известен гибридный дирижабль проекта Аэролет А-30 разработки КБ Ухтомского вертолетного завода (Ю.С. Бойко. «Воздухоплавательные аппараты и полеты на них», 2015 г., стр. 567-575, таблица 40), в котором две винтомоторные установки вертолетного типа расположены по левому и правому борту оболочки дирижабля на боковых пилонах. По своей технической сущности этот дирижабль является наиболее близким аналогом и принят в качестве прототипа.
В проекте несущим винтам были обеспечены хорошие условия для работы на взлетно-посадочных и крейсерских режимах полета, но его применению в качестве базового модуля дирижабельной МТС препятствует ряд существенных недостатков:
- При сохранении типа винтомоторных установок максимальную грузоподъемность гибридного дирижабля можно изменять только за счет вставок в обводы оболочки дополнительных объемов с несущим газом. При этом ухудшается управляемость по курсу и тангажу, т.к. плечи воздействия управляющих моментов от поперечно разнесенных несущих винтов остаются постоянными, а плечи дестабилизирующих моментов увеличиваются из-за роста удлинения дирижабля по мере добавления вставок в оболочку.
- По требованиям безопасности в проекте необходима синхронизирующая трансмиссия между левой и правой винтомоторными установками, которая должна автоматически включаться в работу при отказе одного из двигателей и выравнивать потоки мощности, подводимые к несущим винтам. И даже при этих условиях поперечная схема расположения винтомоторных установок является неустойчивой.
- Курсовые дестабилизирующие моменты, возникающие в крейсерском полете, например, от воздействия бокового ветра, можно погасить только за счет управляющей мощности хвостового оперения. В то же время воздействие порывов бокового ветра приводят к разнице в подъемной силе тяги левой и правой винтомоторной группы, т.е. к возникновению дестабилизирующего момента крена, который можно парировать лишь дифференциальным изменением общего шага винтов, что потребует введения в систему специальной автоматической системы, мгновенно реагирующей на разницу тяг и принудительно обеспечивающей устойчивость по крену. Это заметно усложняет проект и не гарантируя надежного результата. Аналогичная проблема наблюдалась на винтокрыле Ка-22.
- Присутствие винтомоторных установок, расположенных по бортам дирижабля не позволяет увеличивать максимальную грузоподъемность комплекса за счет объединения дирижаблей в группы путем сопряжения их по боковой поверхности оболочек, что также является серьезным препятствием к увеличению количества вариантов максимальной грузоподъемности МТС.
Задачей изобретения является силовая установка дирижабельной МТС, позволяющая получать множество вариантов максимальной грузоподъемности модульной транспортной системы.
Задача изобретения решается тем, что несущие винты силовой установки размещены по тандемной схеме на выступающих за пределы оболочки пилонах в нижней носовой и хвостовой части корпуса дирижабля в продолжении концов килевой фермы.
Полученный технический результат характеризуется существенными признаками:
- упомянутая оболочка снабжена килевой фермой, в продолжении которой размещены пилоны несущих винтов, тандемно установленных винтомоторных модулей, выступающих за пределы оболочки в нижних носовой и хвостовой частях;
- боковые поверхности упомянутой оболочки выполнены с возможностью сопряжения с боковыми поверхностями дополнительных сигарообразных аэростатических оболочек с несущим газом.
На Фиг. 1 показана компоновка силовой установки на базовом аэростатическом модуле транспортной системы.
Силовая установка дирижабельной модульной транспортной системы по Фиг. 1 включает:
Базовый аэростатический модуль дирижабля (1) с оболочкой (2). Подвесную гондолу кабины экипажа (3), силовую установку (4) на пилонах (5), состоящую из двух тандемно установленных винтомоторных модулей с несущими винтами, хвостовое оперение (6), зону (7) размещения коммерческой грузовой нагрузки и двухопорное колесное шасси (8).
Боковые поверхности аэростатической оболочки (2) свободны от выступающих деталей, которыми в известных конструкциях дирижаблей обычно являются боковые выносные фермы и винтомоторные установки вертолетного типа или поворотные подъемно-маршевые воздушные винты.
Силовая установка аэростатического модуля транспортной системы работает следующим образом (Фиг. 1):
Тандемное размещение силовой установки на аэростатическом модуле МТС (1) (Фиг. 1) освобождает боковые поверхности оболочки (2) от выступающих деталей. Это создает возможности для объединения модулей дирижаблей в группы, с сопряжением по боковой поверхности и возможность увеличения несущих объемов за счет цилиндрических вставок в среднюю часть оболочки.
Кроме того, сохраняется хорошая управляемость по курсу и тангажу базового гибридного дирижабля (1) с увеличением количества типовых вставок дополнительных объемов, т.к. плечи воздействия управляющих моментов от несущих винтов силовой установки (4) возрастают вместе с ростом дестабилизирующих моментов при увеличении удлинения оболочки аэростатического модуля дирижабля. Это обстоятельство крайне важно для существования и технической реализуемости аэростатической модульной транспортной системы. Оно позволяет по мере увеличения количества вставок дополнительных объемов оболочки пропорционально приводить свойства каждого уровня максимальной грузоподъемности МТС в соответствие с необходимыми характеристиками управляемости.
Тандемное размещение силовой установки на базовом модуле дирижабля МТС (1) исключает необходимость в установке синхронизирующей трансмиссии между передней и задней винтомоторной установками (4). Отказ одного из двигателей не приводит к развитию крена гибридного дирижабля, а изменение продольного момента в этом случае может быть скомпенсировано одним из известных способов:
- автоматическим переводом оставшегося двигателя винтомоторного модуля на режим максимальной мощности;
- переводом несущего винта в режим добора мощности от набегающего потока (воздушное перераспределение мощности между передней и задней винтомоторными установками);
- соответствующим изменением подъемной силы на оперении или в точке приложения результирующей аэродинамической подъемной силы оболочки;
- соответствующим изменением объема переднего и заднего баллонетов оболочки;
- перекачкой топлива между передним и задним топливным баком;
- дополнением винтомоторных установок электродвигателями-генераторами для перераспределения части мощности между ними;
- дополнением винтомоторных установок накопителями энергии.
Тандемное размещение силовой установки на аэростатическом модуле дирижабля МТС (1) имеет наименьшее аэродинамическое сопротивление, т.к. пилоны винтомоторных установок по существу являются продолжением килевой фермы дирижабля, расположены по потоку и выполняются со сплошной обтекаемой наружной поверхностью. Причем винтомоторные установки вместе с пилонами вписываются в фронтальную площадь сечения дирижабля, что также способствует уменьшению их аэродинамического сопротивления.
Тандемное размещение силовой установки на базовом модуле дирижабля МТС (1) экономит значительные массы конструкции. При этом увеличивается доля коммерческой нагрузки, поднимаемой за счет аэростатической силы несущего газа оболочки. На земле после снятия груза предусматривается подвеска балласта.
Для полетов потребуется доработка несущих винтов под возможность создания отрицательной тяги. Последнее не только желательно, но и необходимо, чтобы дирижабль мог выполнять полет без груза, с компенсацией избытка аэростатической подъемной силы отрицательной тягой винтов, например, после завершения крановой операции. Как известно, потребная для полета и управления пропульсивная сила может образоваться тогда, когда на несущем винте есть большая величина тяги - положительная или отрицательная. Отрицательная тяга несущих винтов винтомоторных установок позволит эффективно стабилизировать гибридный дирижабль и обеспечить приемлемую для завершения полета пропульсивнаую силу.
Предложенная силовая установка аэростатического модуля транспортной системы позволила:
- освободить боковые поверхности оболочек (2) аэростатического модуля дирижабля МТС (1) от выступающих деталей;
- сохранить хорошую управляемость по курсу и тангажу аэростатического модуля дирижабля (1) по мере увеличения количества типовых вставок дополнительных объемов несущего газа;
- исключить необходимость устройства синхронизирующей трансмиссии между передней и задней винтомоторной установками (4);
- получить наименьшее аэродинамическое сопротивление силовой установки за счет расположения хорошо обтекаемых пилонов по потоку и их вписывания вместе с винтомоторными установками в фронтальную площадь сечения аэростатического модуля дирижабля;
- повысить надежность и безопасность аэростатической модульной транспортной системы всех уровней максимальной грузоподъемности за счет совершенства свойств тандемной силовой установки.