ВЕРТОЛЕТ
HELICOPTER

Изобретение относится к вертолетостроению, в частности к устройству несущих систем вертолетов двухвинтовой поперечной и продольной схем.
Известны конструкции несущих систем вертолетов двухвинтовой поперечной и продольной схем, см., например, РУЖИЦКИЙ Е.И. Современная авиация. Вертолеты. - М.: Виктория, ACT, 1997, с.161. JP 3292295 A, 24.12.1991. RU 2267657 C2, 10.01.2006. RU 2160689 C2, 20.12.2000. RU 99114461 A, 20.05.2001. RU 2089456 C1, 10.09.1997. RU 2278800 C2, 27.06.2006. GB 626690 A, 20.07.1949. RU 2389651 C2, 07.03.2008.
В качестве прототипа примем предложение, изложенное в патенте RU 2389651 C2, 07.03.2008, где ставится и решается задача увеличения балансировочной устойчивости вертолетов двухвинтовой поперечной схемы. Сама задача возникает в связи с тем, что автор помещает несущие винты по бокам от фюзеляжа примерно на уровне центра масс вертолета, что и создает проблему неустойчивости. Однако предложенное решение, предполагающее создание соответствующей системы автоматического регулирования, кардинально проблему неустойчивости не решает. Кроме того, низко расположенные винты создают угрозу для человеческой жизни.
Целью изобретения является повышение эффективности работы несущих лопастей вертолета, позволяющее уменьшить их длину, а вследствие этого - увеличить угловую скорость их вращения, за счет чего увеличить тягу несущей системы и уменьшить ее габариты. По достижении указанной цели ставится цель уменьшения индуктивных потерь, а также повышения надежности несущей системы путем упрощения конструкции несущего винта. Далее ставится цель увеличения безопасности пассажиров, а также увеличения балансировочной устойчивости вертолета, а также ставится цель обеспечения возможности управления угловой скоростью каждого из комплектов несущих лопастей, а также ставится цель разработки способа управления движением вертолета, не допускающего возникновения реактивного момента.
Указанные цели достигаются тем, что к внешней торцевой части несущих лопастей прикрепляются дополнительные вертикально расположенные плоскости таким образом, чтобы во время кругового движения несущих лопастей имел место положительный угол атаки дополнительных плоскостей, нагнетающих воздух внутрь области, сметаемой несущими лопастями, при этом каждая из лопастей имеет переменный, вдоль своей длины, угол атаки - больший в начале и наименьший на конце, а также переменную ширину - большую в начале и наименьшую на конце.
Указанные цели достигаются еще и тем, что к фюзеляжу вертолета, посредством консолей, дополнительно к имеющимся, крепятся два, высоко расположенных (выше фюзеляжа), комплекта несущих лопастей (винтов) так, чтобы центр масс вертолета располагался в центре и ниже четырехугольника, образованного несущими винтами, при этом все винты располагаются в одной плоскости, симметрично относительно фюзеляжа вертолета и удалены от него в указанной плоскости так, чтобы отбрасываемый несущими плоскостями воздух (индуктивный поток) минимальным образом касался упомянутого фюзеляжа.
Указанные цели достигаются еще и тем, что каждый из несущих винтов снабжен собственным двигателем, при этом передний правый и задний правый, относительно продольной оси вертолета, двигатели вращают свои, жестко связанные с валом двигателя, комплекты лопастей против часовой стрелки, а передний левый и задний левый, относительно продольной оси вертолета, двигатели вращают свои, жестко связанные с валом двигателя, комплекты лопастей по часовой стрелке, при этом возможно и обратное направление вращения для всех двигателей одновременно.
Указанные цели достигаются еще и тем, что управление движением вертолета осуществляют следующим образом: режим вертикального движения пилот осуществляет путем установки органа управления в положение, при котором все двигатели вращаются с одинаковой угловой скоростью, режим движения вперед пилот осуществляет путем установки органа управления в положение, при котором оба передних двигателя снижают свою угловую скорость на одинаковую величину, а оба задних увеличивают ее на ту же самую величину, режим движения назад пилот осуществляет путем установки органа управления в положение, при котором оба задних двигателя снижают свою угловую скорость на одинаковую величину, а оба передних увеличивают ее на ту же самую величину, режим движения влево пилот осуществляет путем установки органа управления в положение, при котором оба левых двигателя снижают свою угловую скорость на одинаковую величину, а оба правых увеличивают ее на ту же самую величину, режим движения вправо пилот осуществляет путем установки органа управления в положение, при котором оба правых двигателя снижают свою угловую скорость на одинаковую величину, а оба левых увеличивают ее на ту же самую величину, при этом режим движения вертолета в промежуточных направлениях пилот осуществляет, руководствуясь принципом суперпозиции, при этом изменение высоты и скорости горизонтального движения пилот осуществляет ручкой управления суммарной тягой всех двигателей одновременно.
На Фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство вертолета (вид сверху). На этом чертеже: хх - продольная ось вертолета; 1, 2, 3, 4 - несущие винты вертолета; 5 - фюзеляж вертолета; 10, 11, 12, 13 - двигатели несущих винтов; 6, 7, 8, 9 - консоли, с помощью которых двигатели несущих винтов крепятся к фюзеляжу, стрелками обозначены направления вращения винтов.
На Фиг.2 схематически изображена система управления движением вертолета. На этой схеме 14 - ручка управления направлением движения; 17 - ручка управления общей тягой всех двигателей одновременно; 15 - датчик угла β крена вертолета, задаваемого пилотом; 16 - датчик угла тангажа α, задаваемого пилотом; 18 - датчик угла γ, являющегося сигналом управления общей тягой, задаваемой пилотом; 19 - блок управления, где сигналы, поступающие с датчиков 15, 16, 18, преобразуются в управляющие воздействия, например токи в обмотках возбуждения двигателей 10, 11, 12, 13, изменяющие их угловую скорость вращения, а следовательно, и силу тяги каждого из двигателей. На этой схеме также: хх - продольная, уу - поперечная оси вертолета.
п
з
р
На Фиг.3,а) схематически изображено предлагаемое устройство вертолета (вид справа). На этом чертеже: хх - продольная ось вертолета; 5 - его фюзеляж; ЦМ - центр масс вертолета; Р - сила его веса; 11 - передний, 13 - задний двигатели вертолета; Т - суммарная тяга передних двигателей; Т - суммарная тяга задних двигателей; 20 - точка приложения Т - равнодействующей силы тяги от всех двигателей. Заметим, что линия действия равнодействующей силы тяги не проходит через центр масс вертолета. В результате чего на него действует момент, вращающий вертолет по часовой стрелке. Чертеж соответствует ситуации, когда пилот тянет ручку управления 14 от себя.
р
р
в
г
в
в
г
На Фиг.3,б) схематически изображено предлагаемое устройство вертолета (вид справа). На этом чертеже: хх - продольная ось вертолета под действием момента, образованного силами Т и Р, наклонена по часовой стрелке; Также наклонена и равнодействующая сила Т тяги всех винтов, которая может быть разложена на вертикальную - Т и горизонтальную - Т составляющие. При совпадении линии действия сил Т и Р момент, действующий на вертолет, исчезнет. Одновременным изменением тяги всех винтов силы Т и Р могут быть сделаны равными и вертолет будет совершать горизонтальное движение под действием горизонтальной силы Т.
вп
На Фиг.4,а) схематически изображен вид сверху одного из несущих винтов вертолета, состоящих из четырех лопастей, жестко закрепленных на валу своего двигателя. На этом чертеже: 11 - двигатель, 22 - его выходной вал, 23 - дополнительные, вертикально расположенные плоскости, прикрепленные к внешним торцам лопастей, α - угол атаки дополнительных вертикальных плоскостей, стрелка указывает направление вращения лопастей.
На Фиг.4,б) схематически изображен вид спереди лопасти несущего винта. На этом чертеже: 21 - нижняя кромка лопасти, 23 - дополнительная вертикально расположенная плоскость, 24 - верхняя кромка лопасти.
вн
вк
На Фиг.4,в) схематически изображен вид сверху и под углом от центра вращения, лопасти несущего винта. На этом чертеже: 21 - нижняя кромка лопасти, 24 - верхняя кромка лопасти, α - угол атаки в начале лопасти, α - угол атаки в конце лопасти. При этом угол атаки в начале лопасти больше, чем угол атаки в конце лопасти. Это делается для увеличения эффективности работы всей поверхности лопасти, т.к. окружная линейная скорость лопасти в ее начале существенно ниже, чем на конце.
Предлагаемый вертолет (назовем его «вертолет продольно-поперечной схемы (ВППС)») состоит из фюзеляжа, силовой установки, несущей системы и системы управления. Несущая система вертолета одновременно является исполнительным органом его системы управления и работает следующим образом. Примем, что силовая установка вертолета выполняется по схеме «двигатель - генератор», а каждый из несущих винтов приводится во вращение своим электродвигателем, являющимся частью управляемого привода. Посредством привода, по сигналам, задаваемым пилотом, например при движении вперед, оба передних двигателя изменяют свою скорость вращения на одинаковую величину, равную -Δω, одновременно с этим оба задних двигателя изменяют свою скорость вращения на ту же величину, но с противоположным знаком, равную +Δω. В этом случае суммарный реактивный момент остается равным нулю. При этом точка приложения равнодействующей силы тяги изменяет свое положение относительно фюзеляжа, создавая в паре с силой веса момент, разворачивающий вертолет и силу тяги в направлении полета. При совпадении линии действия вертикальной составляющей равнодействующей силы тяги и силы веса момент, действующий на вертолет, исчезает. Одновременным изменением тяги всех винтов вертикальная составляющая силы тяги и сила веса могут быть сделаны равными. В этом случае вертолет будет совершать горизонтальное движение под действием горизонтальной составляющей силы тяги.
Рассмотренный пример распространяется на все направления движения вертолета в силу действия принципа суперпозиции, который в свою очередь справедлив в силу линейности системы управления (СУ) и идентичности каналов управления электроприводом.
Найдем условия, накладываемые на СУ, необходимые для того, чтобы реактивный момент всегда оставался равным нулю. Уравнения движения несущих винтов имеют вид:
<mrow><mi>J</mi><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mi></mi><mtext>           (1)</mtext></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
i
Здесь: J - момент инерции несущих винтов,
- угловые ускорения i-го винта, M - момент, приложенный к i-му винту. Условие отсутствия реактивного момента в любой момент времени имеет вид:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mn>4</mn></munderover><mrow><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mstyle><mtext>                        (2)</mtext></mrow>
С учетом уравнений (1), а также с учетом равенства моментов инерции всех несущих винтов указанное условие приобретает вид:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>˙</mo></mover><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>            (3)</mtext></mrow>
Интегрируя полученное выражение при нулевых начальных условиях, получим искомое условие отсутствия реактивного момента в любой текущий момент времени:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>            (4)</mtext></mrow>
С учетом сказанного, алгоритм работы СУ, т.е. связь сигналов, задаваемых пилотом с приращением угловых скоростей несущих винтов, имеет вид:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mi>α</mi><mtext></mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mi>α</mi><mtext></mtext><mi></mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>k</mi><mi>α</mi><mtext> </mtext><mo>,</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>k</mi><mi>α</mi><mtext></mtext><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Управление по тангажу:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mi>β</mi><mtext></mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>k</mi><mi>β</mi><mtext></mtext><mi></mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mi>β</mi><mtext> </mtext><mo>,</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>k</mi><mi>β</mi><mtext></mtext><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Управление по крену:
Заметим, что во всех приведенных равенствах стоит один и тот же коэффициент передачи k. Этим устанавливается идентичность всех каналов управления и таким образом устанавливается выполнение условия отсутствия реактивного момента в любой текущий момент времени. Проверим сказанное на конкретном примере. Для этого сложим все равенства в выражениях (5) и (6). В результате будем иметь:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>k</mi><mi>α</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>k</mi><mi>α</mi><mtext></mtext><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>k</mi><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>k</mi><mi>β</mi><mtext></mtext><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Отсюда следует то, что при любом положении ручки управления электроприводом, т.е. при любых сигналах управления α и β равенство (4), являющееся условием отсутствия реактивного момента в любой текущий момент времени, - выполняется. Задача управления электроприводом хорошо известна в технике (см., например, монографию: Сиротин А.А., «Автоматическое управление электроприводами», М., «Энергия», 1969 г., 560 с.) и решена, например, в таких транспортных средствах, как трамвай, троллейбус, электропоезд и т.п. Поэтому конкретные схемные решения здесь не приводятся и не охраняются.
Технический результат, заключающийся в увеличении тяги несущей системы и уменьшении ее габаритов, достигается путем сужения диаграммы распределения плотности индуктивного потока и увеличения его скорости за счет повышения эффективности несущих лопастей вертолета. Повышение эффективности осуществляется путем прикрепления к внешней торцевой части несущих лопастей дополнительных вертикально расположенных плоскостей, а также за счет того, что каждая из лопастей имеет переменный, вдоль своей длины, угол атаки - больший в начале и наименьший на конце, а также переменную ширину - большую в начале и наименьшую на конце. Указанные мероприятия позволяют уменьшить длину лопастей, а вследствие этого - увеличить угловую скорость их вращения и, следовательно, тягу несущих винтов. Кроме того, уменьшение длины лопастей и увеличение их угловой скорости (при сохранении габаритов вертолета) позволяет увеличить количество несущих винтов. Технический результат заключается также в уменьшении индуктивных потерь, а также в повышении надежности несущей системы вертолета путем упрощения конструкции несущих винтов, в которых лопасти жестко связаны с валом двигателя и отсутствует такой сложный механизм, как автомат перекоса. При этом введение еще одного, высоко расположенного (выше фюзеляжа), поперечного комплекта несущих винтов и расположение всех винтов в одной плоскости увеличивает безопасность пассажиров, а также за счет того, что центр масс вертолета находится посередине между несущими винтами и ниже точки приложения равнодействующей силы тяги, кардинально решается проблема его балансировочной устойчивости. Технический результат заключается также в разработке способа управления движением вертолета, не допускающего возникновения реактивного момента, путем надлежащего управления угловой скоростью вращения каждого из несущих винтов.