ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ ВОЗДУШНЫМИ ВИНТАМИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ
VERTICAL TAKE-OFF AND LANDING AIRCRAFT WITH AUXILIARY AIR PROPELLERS FOR FLIGHT CONTROL

Область техники
Изобретение относится к авиации, конкретно к многовинтовым винтокрылым летательным аппаратам (ЛА) с вертикальным взлетом и посадкой, а именно к гибридным мультикоптерам с крыльями, на которых установлены основные воздушные винты для создания тяги и вспомогательные винты меньшей мощности для управления полетом.
В изобретении предлагается новая конструкция гибридного мультикоптера, в которой в дополнение к основным несущим винтам, предлагается использовать вспомогательные винты меньшей мощности, с разделением между первыми и вторыми винтами функций создания силы тяги и повышения эффективности управления полетом.
Предшествующий уровень техники
Известные базовые конструкции мультикоптеров обычно содержат одинаковые воздушные винты, которые используются как для создания силы тяги, так для управления полетом, или, другими словами, управления результирующим вектором тяги за счет контролируемого изменения силы тяги каждого винта соответствующим изменением частоты его вращения.
Например, в патенте US 10974827 заявлен ЛА с шестью поворотными воздушными винтами, которые вращаются электродвигателями с частотой, задаваемой полетным контроллером. Этот ЛА показан в режимах вертикального взлета и круизного полета на Фиг. 1(a) и Фиг. 1(b), соответственно.
Такой подход является оправданным для малоразмерных гибридных мультикоптеров с винтомоторными группами с малой мощности и малой инерционностью. При переходе к ЛА с большими размерами и массой, функции создания силы тяги (подъемной силы) и управления движением целесообразно разделить между различными системами.
В качестве наглядного аналога можно привести гибридный ЛА (US 10894591), показанный на Фиг. 2. Подъемная сила этого крупноразмерного и массивного ЛА создается легким газом в объемной гандоле, а управление полетом осуществляется воздушными пропеллерами, размеры которых и создаваемая тяга значительно меньше размеров ЛА и удерживающей его подъемной силы, соответственно. При этом, управляющие воздушные винты расположены на длинных кронштейнах, используемых в качестве рычагов для поворота ЛА.
Известен гибридный ЛА с большим центральным воздушным винтом, создающим подъемную силу и тягу, и, кроме того, имеющим крылья, оперение, закрылки, управляющие направлением движения в полете. Отличительным элементом ЛА, предложенным в патенте US 9611037, является дополнительный электрический вентилятор, встроенный в оперение, как показано на Фиг. 3, для управления углом рысканья при малых скоростях полета. В аварийной ситуации при отсутствии электропитания этот вентилятор вращается запасенным в баллоне сжатым воздухом.
Близким аналогом к заявляемому изобретению является ЛА, представленный в патенте US 10676180, в котором предложен мультироторный ЛА с большим центральным подъемным вентилятором в канале (турбофан) и четырьмя малыми канальными вентиляторами, которые управляют полетом ЛА (Фиг. 4). В данном изобретении предлагается использование в больших мультикоптерах и гибридных ЛА вертикального взлета и посадки воздушных винтов, существенно различающихся по мощности, одни из которых - большой мощности - используются для создания подъемной силы и/или силы тяги, а другие - меньшей мощности - для управления полетом.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является вертолет с дополнительным подъемным крылом, представленный в патенте US 2018281936 (Фиг. 6). Подъемная сила ЛА создается основным несущим винтом. На концах крыльев ЛА расположены канальные вентиляторы, улучшающие управляемость ЛА, создавая вращающий момент вокруг вертикальной оси вертолета, что позволяет управлять рысканьем. Однако, управление креном и тангажем ЛА осуществляется за счет основного винта. Что является недостатком такой конструкции ЛА.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Электрический конвертоплан с шестью одинаковыми винтомоторными группами, способными к повороту из горизонтального положения (а) при взлете и посадке, в вертикальное положение (b) при круизном полете. Патент US 10974827 (аналог).
Фиг. 2. Гибридный ЛА вертикального взлета и посадки с гондолой, наполненной газом (легче воздуха) и с воздушными винтами на кронштейнах для управления движением ЛА. Патент US 10894591 (аналог).
Фиг. 3. Канальный вентилятор, встроенный в оперение гибридного ЛА вертикального взлета и посадки с большим центральным несущим винтом. Используется для управления углом рысканья на малых скоростях. Патент US 9611037 (аналог).
Фиг. 4. ЛА вертикального взлета и посадки с большим центральным канальным вентилятором, создающим подъемную силу, и четырьмя малыми вентиляторами, используемые для управления полетом. Патент US 10676180 (прототип).
Фиг. 5. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с расположенными на концах крыльев вспомогательными воздушными винтами для управления полетом.
Фиг. 6. Вертолет с дополнительным подъемным крылом на концах которого установлены дополнительные канальные вентиляторы, улучшающие управляемость ЛА в плоскости крыла. Патент US 2018281936 (прототип).
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей изобретения является повышение качества управления полетом тяжелых гибридных мультикоптеров и ЛА вертикального взлета и посадки.
Решение технической задачи состоит в дополнительном оснащении ЛА вспомогательными воздушными винтами, потребляемая мощность и инерционность которых существенно меньше, чем у основных пропеллеров, создающих тягу.
Технический результат изобретения заключается в повышении управляемости ЛА за счет более высокого быстродействия и меньшего энергопотребления вспомогательных пропеллеров по сравнению с основными воздушными винтами, создающими тягу, а также за счет более рационального размещения основных и вспомогательных винтов в конструкции ЛА.
На Фиг. 5 в качестве иллюстрации представлен один из возможных вариантов реализации ЛА вертикального взлета и посадки со вспомогательными воздушными винтами для управления полетом, расположенными на концах основного крыла, а именно, в плоскости крыла (1, 2) и на его торцах (3, 4), а также в плоскости заднего крыла, на его концах (5, 6) и ниже кабины экипажа перед фюзеляжем (7).
Пропеллеры (1) и (2), расположенные в плоскости основного крыла на его концах, создают при вращении тягу вверх (подъемную силу), могут, при независимом управлении частотой вращения каждого из этих попеллеров, использоваться для управлением креном ЛА. При этом сила тяги каждого из этих пропеллеров действует на ЛА через крыло, как через рычаг. С целью использования максимального рычага для силы тяги, создаваемой вспомогательным пропеллером, пропеллеры стремятся разместить на максимальном удалении от центра масс ЛА.
Плоскость вращения канальных вентиляторов (3) и (4), расположенных на концах основного крыла, ориентирована нормально к плоскости крыла. Эти канальные вентиляторы создают силы тяги, стремящиеся повернуть ЛА в плоскости основных крыльев. Управление результирующей силы тяги этих канальных вентиляторов позволяет управлять рысканием ЛА. Как и в предыдущем случае пропеллеров (1) и (2), канальные вентиляторы (3) и (4) действуют на ЛА через крылья, как через рычаги.
Вспомогательные пропеллеры на заднем крыле (5), (6) и передний вспомогательный пропеллер (7) могут использоваться для управления креном и тангажем ЛА. Задние вспомогательные пропеллеры могут располагаться как на заднем крыле, при его наличии, так и на оперении.
Вспомогательные пропеллеры содержат не менее двух лопастей и, предпочтительно, могут быть многолопастными, представляя собой канальные вентиляторы. Для создания тяги в каждом из указанных выше направлений могут использоваться одиночное пропеллеры, пары пропеллеров с противоположным направлением вращения для компенсации углового момента, а также массивы из большего количества пропеллеров при необходимости.