СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ МАШУЩИХ КРЫЛЬЕВ МАХОЛЕТА И МАХОЛЕТ
METHOD OF DRIVING ORNITHOPTER WINGS AND ORNITHOPTER

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к машущекрылым летательным аппаратам (МЛА) - махолетам, использующим в полете машущие крылья для создания подъемной силы и тяги.
Известен способ образования толкающей и подъемной силы, необходимой для полета с помощью маховых движений передних и задних крыльев, расположенных в одной плоскости и сдвинутых в пространстве, при этом указанную силу образуют за счет одновременного и синхронного махового движения каждой пары крыльев, расположенных симметрично по отношению к оси фюзеляжа, причем движения пары передних крыльев опережают по фазе на 90° маховые движения пары задних крыльев (патент РФ №2344968, B64C 33/00, публикация 2009 г.).
Данный способ реализован конструкцией летательного аппарата - махолета, содержащего фюзеляж, две пары крыльев, симметрично расположенных в одной плоскости с каждого борта, шарниры, установленные на фюзеляже и связывающие крылья с фюзеляжем, рабочий механизм для образования маховых движений крыльев, допускающий изменение угла атаки каждого крыла в отдельности, и силовую установку, при этом лопасти крыльев выполнены из гибкого пружинящего материала, рабочий механизм каждого борта состоит из коленвалов, сочлененных с силовой установкой, каждый коленвал содержит два колена, колена шарнирно через ползуны сочленены со штоками, колена передней пары крыльев сдвинуты на 90° по отношению к коленам задней пары крыльев по направлению вращения коленвалов, положения колен правой и левой стороны борта зеркально симметричны по отношению к вертикальной плоскости, делящей фюзеляж пополам, а силовая установка выполнена с возможностью вращения коленвалов в разные стороны.
Известные технические решения предполагают «силовое» управление машущими крыльями, которое невозможно осуществить на больших махолетах из-за так называемого масштабного фактора - момент инерции крыльев при увеличении размеров увеличивается в пятой степени от линейного размера.
Известен способ приведения в движение машущих крыльев орнитоптера, включающий механическое воздействие возмущающих сил на колебательную систему крыльев с упругим элементом с последующим аккумулированием упомянутых воздействий и преобразованием вынужденных колебаний в автоколебания системы крыльев, при этом в автоколебания преобразуют вынужденные маховые колебания крыльев, аккумулируют воздействия возмущающих сил, получаемых от бортового источника энергии, а на крылья воздействуют возмущающей силой периодически и синхронно с частотой собственных колебаний крыльев и приводят колебательную систему крыльев в состояние резонанса с последующим поддержанием ее в этом состоянии. В качестве бортового источника энергии используют мускульный привод, и/или пневмопривод, и/или гидропривод, и/или двигатель внутреннего сгорания или их сочетание (заявка РФ №2007118565, МПК B64C 33/02, публикация 2008 г.).
Известный способ позволяет преодолеть влияние сил инерции за счет поддержания колебаний крыльев с резонансной частотой, но не может обеспечить управляемость полета, так как является однорежимным и не обеспечивает управление скоростью полета.
Известен летательный аппарат с машущими крыльями, который может летать, взмахивая крыльями, и состоящий из корпуса, торсионного вала, который свободно вращается в корпусе, приводного механизма для вращения торсионного вала и крыльев, совершающих возвратно-поступательные движения между двумя точками и соединенных с торсионным валом таким образом, чтобы вращаться вместе с ним и вращаться под действием крутящего момента относительно торсионного вала. Летательный аппарат с машущими крыльями создает подъемную силу в течение полного цикла взмаха крыльев и исключает создание подъемной силы только лишь в одной половине цикла и ее потерю во второй половине цикла. Поэтому данный летательный аппарат может обеспечить не только устойчивый полет, но и плавное зависание или полет с набором высоты или снижением (патент США №2008251632, МПК B64C 33/00, публикация 2008 г.).
В известном устройстве для оптимизации динамической крутки крыла при махах крыльев используется торсионный вал, но предложенная конструкция не обеспечивает возможности махов большими крыльями с достаточной частотой и амплитудой для осуществления полета.
Известен летательный аппарат, содержащий корпус с шарнирно установленными крыльями, силовую установку и привод машущих движений крыла, при этом силовая установка выполнена в виде двигателя с редуктором, а для привода использованы два кривошипно-шатунных механизма, приводящих в колебательные движения силовые валы, которые посредством цепных передач обеспечивают машущие движения четырех симметричных плоских крыльев, а каждое крыло снабжено механизмом вращения, размещенным в корне крыла на центральном лонжероне, который установлен в вилке и вращается в ней в процессе колебательных движений крыла при помощи двух храповых механизмов (патент РФ №2375253, МПК B64C 33/02, публикация 2009 г.).
В известном летательном аппарате решается частная проблема управления подвижных крыльев по углу их установки в набегающем потоке воздуха. Но жесткий привод через редуктор и кривошипно-шатунный механизм не позволяет создать экономичный и реально действующий механизм для махания достаточно большими крыльями, обеспечивающими полет с человеком на борту.
Известно устройство машущих навстречу друг другу тандемно расположенных крыльев летательного аппарата с приводом, содержащее податливые на кручение крылья и соединенные в противофазе кривошипно-шатунно-коромысловые механизмы, двуплечими рычагами-коромыслами которых являются лонжероны или силовые кромки крыльев, которым трехшарнирные шатуны механизмов сообщают как основное, собственно маховое движение, так и движение автоматической крутки крыла в процессе махания, с возможностью независимых от махания перемещений вперед-назад вдоль оси махания, что вызывает поворот связанных с ними трехшарнирных шатунов вокруг пальцев кривошипов и, соответственно, независимый от режима махания или планирования перекос крыльев вокруг наклоняющихся осей верхних шарниров шатунов (патент РФ №2350509, МПК B64C 33/00, публикация 2009 г.).
В данном устройстве описан частный случай управления круткой крыла (изменением его угла установки в движущемся потоке), решение задачи управления по крену не решает главной проблемы - обеспечения преодоления сил инерции движущихся крыльев экономичным способом.
Все известные конструкции махолета не позволяют осуществить управляемый длительный полет с человеком на борту, что подтверждается тем, что ни один махолет с человеком на борту не совершил полноценного полета.
В настоящее время считается, что для того чтобы обеспечить длительный управляемый полет с человеком на борту махолета, необходимо махать крыльями общей площадью 16-18 кв.м с частотой не менее 1 Гц. Очевидно, что находиться в корпусе аппарата, колеблющемся в противофазе с движением двух крыльев, некомфортно. Поэтому наиболее приемлемым является установка двух пар крыльев, качающихся по одной оси в противофазе. Такая кинематика крыльев позволяет исключить влияние всех колебательных процессов на корпус аппарата.
Два качающихся в противофазе крыла, соединенные упругим элементом (торсионом) по оси качания, представляют собой колебательный контур, в котором частота собственных колебаний зависит от соотношения моментов инерции движущихся крыльев и угловой жесткости торсиона и не зависит от размеров и массы крыльев. При этом имея расчетную массу и габариты крыльев, определяющие моменты инерции, можно подобрать жесткость торсиона (варьируя его длину и диаметр), обеспечивающую совпадение собственной частоты колебаний с заданной, например, в 1 Гц.
Тогда, импульсно воздействуя на крылья в крайних точках (аналогично подталкиванию качелей в крайних точках амплитуды качания), можно заставить крылья махать с заданной частотой и амплитудой с минимальными затратами энергии. Но такая система будет однорежимной и, при прочих равных условиях, летать можно будет только на одной установившейся относительно воздуха скорости, определяемой балансом сил тяги махающих крыльев и сил сопротивления. Таким образом, махолет, построенный по такой схеме, не будет способен к изменению параметров полета, а следовательно, к управляемому полету. Для увеличения скорости полета махолета необходимо будет увеличить частоту махов крыла, что приведет к рассогласованию установившейся колебательной системы и резкому увеличению потребной мощности на силовое махание крыльями.
Для создания управляемого по скорости махолета необходимо изменять резонансную частоту системы «крылья - упругий элемент» в широких пределах. Т.е нужно иметь возможность оперативного управления частотой резонансных колебаний в полете для изменения скорости полета (тяги) машущих крыльев. Изменять резонансную частоту колебательной системы можно изменяя либо массу (размеры) крыла (что вряд ли технически осуществимо в процессе полета), либо жесткость торсиона (изменить его диаметр или длину тоже технически невозможно).
Для изменения резонансной частоты колебательной системы в процессе полета махолета предлагается в дополнение к базовому упругому элементу (торсиону) в колебательную систему «крылья - упругий элемент» дополнительно включить регулируемые упругие элементы, например пневмоцилиндры, в которых путем изменения давления можно легко изменять и упругие характеристики в широких пределах.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и экономичного способа приведения в движение машущих крыльев махолета и создание устройства, обеспечивающего осуществление этого способа.
Технический результат изобретения заключается в возможности осуществления длительного управляемого полета махолета с человеком на борту.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ приведения в движение машущих крыльев махолета, соединенных с упругим элементом и образующих с ним единую колебательную систему махолета, включает периодическое силовое воздействие на крылья, приведение колебательной системы в резонанс и последующее поддержание системы в этом состоянии, при этом в процессе полета изменяют резонансную частоту единой колебательной системы махолета путем изменения жесткости колебательной системы махолета, силовое воздействие осуществляют в крайних точках амплитуды движения крыльев махолета, а величину силового воздействия изменяют пропорционально изменению жесткости единой колебательной системы махолета.
Сущность изобретения заключается также в следующем.
Махолет содержит корпус, шарнирно закрепленные на корпусе два крыла, расположенные друг за другом вдоль продольной оси корпуса и установленные с возможностью встречного махового движения посредством приводных механизмов каждого крыла, содержащих поршневые двигатели, при этом оба крыла соединены друг с другом посредством упругого элемента, образуя с ним единую колебательную систему махолета. Колебательная система махолета выполнена с возможностью изменения ее жесткости, а поршни двигателей приводных механизмов воздействуют непосредственно на крылья махолета.
Колебательная система махолета включает упругий элемент постоянной жесткости, выполненный в виде установленного вдоль продольной оси махолета торсионного вала, посредством которого соединены оба крыла, и систему упругих элементов переменной регулируемой жесткости, выполненных в виде пневмоцилиндров, соединенных с крыльями по обе стороны от оси торсионного вала.
На фиг.1 изображен общий вид махолета, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 представлена кинематическая схема махолета; на фиг.4 - схема управления частотой колебания крыльев.
Махолет содержит корпус 1 с кабиной пилота 2 и двумя крыльями - передним крылом 3 и задним крылом 4. Крылья расположены друг за другом вдоль продольной оси 5 корпуса с возможностью поворота относительно друг друга. На корпусе махолета установлено шасси 6, стабилизатор 7 с рулем направления и хвостовое оперение 8 с рулями высоты. Переднее крыло 3 соединено с задним крылом 4 по оси 5 упругим элементом, выполненным в виде торсиона 9. Оба крыла соединены между собой дополнительно системой синхронизации, включающей тяги 10 и качалки 11.
Каждое крыло по обе стороны от оси 5 шарнирно соединено с дополнительными регулируемыми упругими элементами, выполненными в виде пневмоцилиндров 12.
Под каждым крылом с обеих сторон от оси 5 установлены двухтактные двигатели 13, при этом цилиндры двигателей неподвижно закреплены на корпусе махолета, а поршни двигателей подвижно соединены штоками с крыльями. Одна из качалок 11 соединена с поршневым компрессором 14, который сообщен через обратный клапан с ресивером 15. Ресивер 15 через управляемый редукционный клапан 16 соединен с дополнительным ресивером 17, который в свою очередь соединен через электромагнитный клапан 18 с полостями пневмоцилиндров.
Редукционный клапан 16 соединен тягой с установленной в кабине пилота рукояткой управления 19 таким образом, что перемещение рукоятки в положение «-» уменьшает давление в промежуточном ресивере 17, а перемещение рукоятки в положение «+» увеличивает давление. На поршне каждого пневмоцилиндра установлена магнитная метка 20, а на корпусе пневмоцилиндра - геркон 21. Пневмоцилиндры 12 дополнительно соединены с ресивером 15 через управляемый клапан 22.
Махолет работает следующим образом.
Пилот садится в кабину 2, расположенную в корпусе 1 махолета, и включает систему запуска, которая через управляемый клапан 22 подает давление в пневмоцилиндры. При этом корпус махолета опирается на землю через шасси 6. Клапан 22 подает давление из ресивера 15 в полости пневмоцилиндров 12 попеременно. При этом усилие пневмоцилиндров передается на крылья 3 и 4, причем если крыло 3 начинает двигаться по часовой стрелке, то крыло 4 - против, при этом механизм синхронизации, состоящий из тяг 10 и качалок 11, обеспечивает движение крыльев строго в противофазе. Поворот крыльев 3 и 4 относительно оси 5 в противоположные стороны скручивает торсион 9.
Давление в ресивере 17 установлено нулевым, а клапан 18 отключен.
Управляемым клапаном 22 задается такое движение пневмоцилиндрам, при котором крылья начинают двигаться в противофазе, увеличивая амплитуду колебаний с частотой собственных колебаний системы «крылья - упругий элемент (торсион)». При достижении амплитуды колебаний расчетного значения пилот включает подачу топлива в двухтактные двигатели 13 и отключает систему запуска. При этом количество подаваемого топлива поддерживает колебания системы крыльев с заданной амплитудой. Для осуществления разгона и взлета пилот переводит рукоятку 19 управления из положения «-» в положение «+», увеличивая этим управляющим воздействием мощность силовой установки и частоту колебаний крыльев.
Происходит это следующим образом. Перемещение рукоятки 19 в положение «+» открывает редукционный клапан 16 и сжатый воздух из ресивера 15 подается в ресивер 17 с максимальным давлением. При этом движущийся в пневмоцилиндре поршень с магнитной меткой в средней части траектории включает через геркон 21 электромагнитный клапан 18 и давление ресивера 17 одновременно подается в камеры пневмоцилиндров. При дальнейшем движении поршня геркон закрывает клапан 18 и изолирует полости пневмоцилиндров друг от друга и от ресивера 17.
Дальнейшее перемещение поршней в цилиндрах сжимает воздух в камерах, расположенных по ходу движения поршней, и приводит к сжатию «газовых пружин», являющихся дополнительным регулируемым упругим элементом в единой колебательной системе «крылья - упругий элемент». Общая жесткость упругих элементов колебательной системы складывается из постоянной составляющей (жесткости торсиона, зависящей от его длины и диаметра) и регулируемой составляющей, пропорциональной давлению в ресивере 17, которое изменяется пропорционально перемещению рукоятки управления 19. Кроме того, перемещение рукоятки 19 одновременно увеличивает подачу топлива в двухтактные двигатели, и крылья в крайних точках амплитуды колебаний получают соответственно больший силовой импульс.
Перемещение рукоятки 19 в крайнее положение максимально увеличивает частоту колебания крыльев и подачу топлива в двигатели, а соответственно и тягу, создаваемую крыльями. После взлета пилот устанавливает рукоятку 19 в среднее положение, выбрав режим частоты колебания крыльев, соответствующий необходимой скорости движения. Компрессор 14 поддерживает давление в ресивере 15, обеспечивая системы управления и запуска сжатым воздухом.
Управление по высоте, направлению и крену производится обычным самолетным способом с помощью стандартной рукоятки управления самолетом (РУС), отклонение которой вызывает отклонение соответствующих управляющих плоскостей руля направления и высоты.
Единственным отличием является управление по крену, осуществляемое отклонением рулей высоты в разные стороны, так как использование элеронов на подвижных крыльях затруднительно. Также управление по крену может осуществляться изменением угла установки правых и левых крыльев.
Махолет предложенной конструктивной схемы обладает высокой надежностью. Соединение крыльев торсионом при выходе из строя всех независимо работающих четырех двигателей позволяет автоматически устанавливаться крыльям в среднее положение, превращая махолет в планер. Выход из строя одного или нескольких двигателей никак не сказывается на способности махолета производить махи крыльями, так как оба крыла связаны механизмом синхронизации.