МАХОЛЁТ
ORNITHOPTER

Изобретение относится к летательным аппаратам с машущими крыльями.
Известен махолет, имеющий двигатель с силовым валом, на концах которого по двум сторонам махолета закреплены по паре крыльев. Крылья закреплены с возможностью вращения вокруг оси силового вала и вокруг собственной продольной оси. Плоскости каждой пары крыльев расположены перпендикулярно относительно друг друга. Крылья снабжены кривошипами. На силовом валу с возможностью перемещения вдоль него размещены барабаны, шарнирно соединенные штангами с кривошипами крыльев. На поверхности барабанов выполнены канавки. Канавки барабанов совмещены с направляющими стержнями. Сами стержни имеют возможность перемещаться вдоль своей оси посредством рычага. За счет взаимодействия канавок на барабанах и направляющих стержней барабаны имеют возможность смещаться вдоль оси силового вала и через кривошипы менять углы атаки плоскостей вращающихся крыльев (RU 2412083, B64C 33/00, 20.02.2011).
Недостаток данного технического решения заложен в аэродинамической схеме работы крыльев: по существу каждая пара крыльев представляет собой воздушный винт с перпендикулярно расположенными лопастями. Результирующая аэродинамическая сила воздушного винта всегда направлена вдоль оси вращения винта. Придание крыльям возможности поворачивать свои плоскости (менять углы атаки) при вращении крыльев вокруг оси силового вала сути не меняет: результирующая аэродинамическая сила будет направлена вдоль оси силового вала. В этом направлении и возможны перемещения махолета. Взлет и полет махолета невозможны.
Известен махокрыл или мускулолет с вертикальным стартом, или мускулолет ротоптерного типа (ротоптеры - аппараты, у которых крылья машут и движутся по кругу относительно вертикальной оси). Мускулолет содержит вертикальную ось, пару крыльев, подвижно связанных с вертикальной осью с возможностью вращения и колебания, втулку, подвижно установленную на вертикальной оси и шарнирно связанную подкосами с крыльями. Плоскости крыльев расположены противоположно относительно друг друга. При вертикально-возвратном движении втулки на вертикальной оси крылья машут и на них возникают силы тяги, противоположно направленные, ввиду противоположного направления плоскостей крыльев. Под их действием крылья разгоняются по кругу, на них возникают подъемные силы, которые поднимают мускулолет (Владимир Топоров. Механика живого неба. Махокрылы - ротоптеры. - http://www.ornithopter.ru/1/files/ndex10.html).
Недостатком данного технического решения является отсутствие у мускулолета машущих крыльев, создающих результирующую горизонтальную тягу. Горизонтальный полет мускулолета невозможен.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является орнитоптер, содержащий корпус с шарнирно установленными крыльями, силовую установку, состоящую из энергоблока и привода машущих движений крыла. Последний состоит из гидроцилиндра, к штоку которого шарнирно прикреплены концы двух штанг, другие концы штанг шарнирно соединены каждая с основанием соответствующего крыла (RU 2270136, B64C 33/00, 20.02.2006).
Недостатком данного технического решения является отсутствие у орнитоптера машущих крыльев, создающих подъемную силу без разгона орнитоптера по земле. Возникновение подъемной силы на крыльях орнитоптера возможно только при их обдуве встречным потоком воздуха. Для создания необходимой для взлета подъемной силы орнитоптеру требуется для разгона относительно протяженная взлетная полоса.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание махолета, сочетающего горизонтальный полет со стартом с ограниченной по размерам площадки.
Данная задача решается за счет того, что в заявляемом махолете, содержащем корпус с шарнирно установленными крыльями, силовую установку, включающую жестко прикрепленный к корпусу цилиндр с поршнем, шток которого шарнирно связан подкосами с крыльями, в корпусе может быть закреплена с возможностью вращения втулка, внутри которой помещена с зазором, допускающим их относительное скольжение и вращение, вертикальная ось, соосно расположенная со штоком и связанная с ним, несущая два крыла, плоскости которых расположены противоположно относительно друг друга, установленных на вертикальной оси с возможностью вращения вокруг нее и колебания в вертикальной плоскости и шарнирно связанных подкосами со втулкой.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность старта махолета с малой по размерам площадки.
На чертеже изображена схема махолета.
Махолет содержит корпус 1 с шарнирно установленными крыльями 2, силовую установку 3, цилиндр 4 с поршнем, шток 5 которого подкосами 6 шарнирно соединен с крыльями 2. Цилиндр 4 жестко прикреплен к корпусу 1. В корпусе 1 закреплена с возможностью вращения втулка 7. Внутри втулки с зазором, допускающим их относительное скольжение и вращение, расположена вертикальная ось 8. Последняя соосно соединена со штоком 5 и несет два крыла 9. Плоскости крыльев расположены противоположно относительно друг друга. Крылья 9 связаны шарнирно подкосами 10 со втулкой 7, а своими основаниями - шарнирно с обоймой 11. Последняя укреплена на вертикальной оси с возможностью вращения. У махолета предусмотрены подвижные поверхности 12, установленные в корпусе 1 с возможностью поворота и выдвижения и снабженные рукоятками 13, и шасси 14. В корпусе предусмотрены окна 15 для беспрепятственного движения подкосов 6 и направляющие 16 для вертикальной оси 8.
Для компенсации возможных перекосов в направляющих 16 корпуса и во втулке 7 вертикальной оси 8 последняя связана со штоком 5 посредством шарнира. По этой же причине - компесации перекосов - крылья связаны с подкосами посредством сферических опор. Для смягчения посадки шасси 14 снабжено амортизаторами. Крылья 2 и 9 выполнены с эластичной задней кромкой, что способствует автоматической установке плоскостей крыльев на более оптимальный угол атаки при их машущих движениях аналогично тому, как это происходит с крыльями насекомых (Тихонравов М.К. Полет птиц и машины с машущими крыльями. - 2-е изд., доп. - М.: Оборонгиз, 1949, с. 149).
Махолет работает следующим образом.
При работающей силовой установке 3, которой может быть и двигатель внутреннего сгорания с компрессором или гидронасосом или паровая машина, рабочее тело (воздух, жидкость, пар) поступает в цилиндр 4. Шток 5 цилиндра двигает вертикально возвратно вертикальную ось 8. В результате крылья 2 через подкосы 6 и крылья 9 через обойму 11, опираясь на подкосы 10, приходят в машущее движение. На машущих крыльях возникают силы тяги. Под действием силы тяги на крыльях 2 махолет начинает разбег по земле на шасси 14. На крыльях 9 ввиду того, что их плоскости расположены противоположно относительно друг друга, силы тяги направлены противоположно и образуют пару сил, создающую крутящий момент. Под действием этого момента крылья 9 с обоймой 11, с подкосами 10 и втулкой 7 начинают вращаться вокруг вертикальной оси 8. Крылья 9 одновременно машут и движутся по окружности. Под действием набегающего потока воздуха на крыльях 9 возникает подъемная сила. Эта сила поднимает крылья 9 и через втулку 7 - корпус 1 махолета. На машущих крыльях 2 тоже возникает подъемная сила во время разбега махолета. Но основную подъемную силу создают машущие и одновременно вращающиеся вокруг вертикальной оси крылья 9. В основном они поднимают махолет в воздух, поэтому ему не требуется относительно протяженная взлетная полоса для разгона. Горизонтальный полет махолета осуществляется за счет тяги, развиваемой крыльями 2. Воздействуя на рукоятки 13 поверхностей 12, можно управлять полетом махолета.
Проведем оценку протяженности взлетной полосы для заявляемого махолета.
На движущихся в воздухе машущих крыльях возникают подъемная и тянущие силы. Подъемная сила равна
N
где C - коффициент подъемной силы;
ρ - плотность воздуха;
S - площадь крыльев;
V - горизонтальная скорость полета.
(Тихонравов М.К. Полет птиц и машины с машущими крыльями. - М.: Оборонгиз, 1949, с. 72).
Под действием пары тянущих сил на крыльях 9 возникает крутящий момент относительно вертикальной оси, равный
где М - крутящий момент, раскручивающий крылья 9, подкосы 10, втулку 7;
Т - сила тяги на одном машущем крыле 9;
R - средний за оборот радиус вращения крыла 9;
J - средний за оборот момент инерции крыльев относительно вертикальной оси;
ω - угловая скорость вращения крыльев;
t - время.
(Здесь и далее формулы взяты из: Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Наука, 1979).
За горизонтальную скорость крыльев 9 примем их линейную скорость в движении по окружности:
Решая дифференциальное уравнение (2), получим:
подставим это значение в формулу для скорости, получим:
или с учетом (2)
Подставим это значение скорости в формулу (1) для подъемной силы, приняв ее равной весу махолета, то есть минимально необходимой для отрыва махолета от земли:
где G - вес махолета.
Отсюда получим:
M
где t - время, необходимое крыльям 9 махолета для развития подъемной силы, равной весу махолета;
остальные обозначения те же.
За это время, двигаясь по взлетной полосе под действием тяги на крыльях 2 с постоянным ускорением (допущение), махолет пройдет путь
M
где l - путь махолета до взлета;
а - ускорение махолета.
Сравним этот путь с путем, который пройдет прототип-орнитоптер по взлетной полосе до отрыва от земли. Сделаем для простоты следующие допущения: массы махолета и орнитоптера равны; машущие крылья одинаковой площади, включая и крылья 9, и машут с одинаковой частотой, тогда силы тяги на машущих крыльях махолета и орнитоптера, включая и крылья 9, равны; на орнитоптер и на махолет при их движении по земле действуют только силы тяги крыльев, и при равенстве масс они разгоняются с одинаковым ускорением
где 2Т - сила тяги на двух крыльях;
m - масса орнитоптера.
Скорость орнитоптера в ускоренном движении
Подставим это значение в формулу (1) для подъемной силы, также приняв ее равной весу,
Отсюда получим
o
где t - время разгона орнитоптера до отрыва от земли.
Путь разгона
o
где l - путь орнитоптера до взлета.
Сравним пути разгона по (4) и (6), с учетом (3) и (5), получим:
Средний за оборот момент инерции J крыльев 9 можно посчитать, как
l
где J - средний за оборот момент инерции лонжеронов крыльев;
k
J - средний за оборот момент инерции плоскостей крыльев.
Это величины сравнимые, поэтому можно принять
В первом приближении средний за оборот момент инерции лонжеронов крыльев вычислим, как момент инерции стержня длиной 2R, вращающегося вокруг центра масс (вокруг вертикальной оси):
l
где m - масса лонжеронов крыльев
Тогда
Подставим это значение в (7):
<mrow><mn>200</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msubsup><mi>m</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>5</mn></mfrac><mi>m</mi></mrow>
Учитывая, что масса лонжеронов крыльев махолета значительно меньше массы орнитоптера, получим, что путь разгона заявляемого махолета намного меньше пути разгона орнитоптера-прототипа. К примеру, если орнитоптеру с двумя машущими крыльями для разгона и взлета нужно 200 метров (на видеостарте аналогичного орнитоптера Делориера в Канаде - http://ru_aviation.livejournal.com/1429995.html - последний разгонялся по взлетной полосе не менее 200 метров), то заявляемому махолету для взлета нужно примерно 0,5 от
метров. Приняв
, что вполне допустимо, получим, что махолету для взлета нужно примерно 4 метра. То есть задача постройки махолета, сочетающего горизонтальный полет со стартом с ограниченной по размерам площадки, решаема.