КОНВЕРТОПЛАН
CONVERTIBLE AIRCRAFT

Изобретение относится к летательным аппаратам с поворотными силовыми установками. Изобретение может быть использовано во всех областях традиционного применения самолетов, вертолетов, конвертопланов, беспилотных летательных аппаратов.
Известен конвертоплан, конструкция которого содержит фюзеляж, крылья и двигательные группы (Патент RU №128182 U1, МПК В64С 37/00 - 20.05.2013, Бюл. №14). В одном из вариантов каждая двигательная группа выполнена в виде, по меньшей мере, одного двигателя, размещенного с возможностью поворота, при этом двигатели в группах выполнены из условия изменения тяги друг относительно друга и/или групп, а двигательные группы расположены на конце соответствующего крыла, в хвостовой и носовой частях фюзеляжа. Во втором из вариантов крыло выполнено комбинированным в виде переднего крыла обратной и заднего крыла прямой стреловидности, каждая двигательная группа выполнена в виде, по меньшей мере, одного двигателя, размещенного с возможностью поворота, при этом двигатели в группах выполнены из условия изменения тяги друг относительно друга и/или групп, а группы расположены на конце соответствующего крыла.
Недостатками этого конвертоплана являются низкая грузоподъемность, дальность и продолжительность полета. Это связано с низким КПД силовых установок в силу того, что они одновременно являются подъемными и маршевыми, а также с тем, что управление конвертопланом осуществляется силовыми установками: разнотягом и изменением направления вектора тяги.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является конвертоплан (Патент RU №2456209 С1, МПК В64С 37/00 - 20.07.2012, Бюл. №20), включающий фюзеляж, крыло, двигатели, оперение, шасси. На крыле располагаются пилоны, выполненные с возможностью вращения. На пилонах установлены два передних двигателя. Задний двигатель установлен на киле-пилоне. Стойки шасси совмещены с пилонами крыла и килем соответственно. Обеспечивается балансировка летательного аппарата на всех режимах полета. Данный патент принят за прототип.
Недостатками данного технического решения являются низкая грузоподъемность, низкая дальность и продолжительность полета в силу низкого КПД силовых установок, т.к. они одновременно и подъемные, и маршевые, а также избыточная мощностью силовых установок в горизонтальном полете, как следствие, вынужденная их эксплуатация при пониженных КПД.
Задачей заявляемого изобретения является создание конвертоплана, предназначенного для транспортирования, простой конструкции, сбалансированного на всех режимах полета, способного совершать горизонтальный полет, вертикальный взлет-посадку и зависать на одном месте. Полезность конвертоплана заключается в возможности взлета и посадки с минимальной по габаритам площадки и в сокращении времени транспортирования за счет возможности максимально близко доставить целевую нагрузку до потребителя.
Технический результат - увеличение надежности, грузоподъемности, дальности и продолжительности полета, возможность совершать вертикальный взлет и посадку с минимальной по габаритам площадки и зависать на одном месте.
Указанный технический результат достигается тем, что в конвертоплане, содержащем фюзеляж, пару крыльев: переднее и заднее, силовые установки, содержащие двигатели и воздушные винты, два киля, шасси, пилоны, выполненные с возможностью вращения, особенность заключается в том, что две подъемные силовые установки расположены на пилонах с двумя степенями свободы по углам тангажа и рыска по бокам фюзеляжа с возможностью фиксации положения и убираться при горизонтальном полете в ниши фюзеляжа, третья силовая установка - маршевая, расположена на пилоне с двумя степенями свободы по углам крена и тангажа с возможностью фиксации положения в хвостовой части фюзеляжа.
Преимуществом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является размещение силовых установок на пилонах по бокам фюзеляжа и в хвостовой ее части, разделение силовых установок на подъемные и маршевую, наличие у пилонов двух степеней свободы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 представлен общий вид конвертоплана, взлетно-посадочный режим полета, на фиг. 2 представлен вид конвертоплана во время разгона,
на фиг. 3 представлен вид конвертоплана в горизонтальном полете,
подъемные силовые установки убраны в ниши фюзеляжа,
где 1 - фюзеляж;
2 - переднее крыло;
3 - заднее крыло;
4 - кили;
5 - подъемные силовые установки;
6 - маршевая силовая установка;
7, 8 - дифференциальные аэродинамические рули;
9 - пилон подъемной силовой установки;
10 - пилон маршевой силовой установки;
11 - ниши фюзеляжа для уборки подъемных силовых установок.
Предлагаемое изобретение содержит фюзеляж 1, который служит для размещения целевой нагрузки, элементов системы управления и других систем; переднее крыло 2 и заднее крыло 3; два киля 4; подъемные силовые установки 5, включающие мотогондолу, двигатель, воздушный винт, размещенные на поворотных пилонах 9 по бокам фюзеляжа для создания подъемной силы на режимах взлета/посадки; маршевая силовая установка 6, включающая мотогондолу, двигатель, воздушный винт, размещенная на поворотном пилоне 10 в хвостовой части фюзеляжа, которая служит для создания тяги во время горизонтального полета; дифференциальные аэродинамические рули 7 и 8 для управления конвертопланом в горизонтальном полете; ниши фюзеляжа 11 для уборки подъемных силовых установок.
Данное изобретение имеет несколько особенностей:
1. Силовые установки разделены на маршевую и подъемные. Подъемные силовые установки установлены на пилонах на фюзеляже в районе центра тяжести конвертоплана. Они оптимизированы для взлетно-посадочных режимов и после взлета убираются в ниши фюзеляжа.
2. Маршевая силовая установка оптимизирована для создания тяги во время горизонтального полета. Маршевая силовая установка может быть установлена как в носу, так и в хвостовой части фюзеляжа.
3. Киль может быть как один в случае переднего расположения маршевой силовой установки, так их может быть и два. В последнем случае маршевая силовая установка имеет хвостовое расположение.
4. Двигателем для маршевой силовой установки может выступать как двигатель внутреннего сгорания (что дает высокую продолжительность полета конвертоплана), так и электрический двигатель (что дает удобство обслуживания).
5. Пилоны подъемных и маршевой силовых установок имеют две степени свободы.
6. Шасси может быть любым или его может не быть совсем. В этом случае достигается экономия веса.
Работает устройство следующим образом: различается два режима полета конвертоплана: взлетно-посадочный режим и горизонтальный полет.
Во взлетно-посадочном режиме (Фиг. 1) все три силовые установки работают и установлены в рабочее положение «вверх». Управление осуществляется поворотом подъемных силовых установок относительно осей А и Б (по углам рыска и тангажа). Управление маршевой силовой установкой осуществляется поворотом относительно осей В и Г (по углам тангажа и крена). Отклонение осуществляется при помощи сервоприводов. Кроме того, управление конвертопланом осуществляется изменением оборотов силовых установок.
После взлета все силовые установки поворачиваются вперед на некоторый угол (Фиг. 2). Этим самым достигается разгон конвертоплана до минимальной скорости горизонтального полета. После этого подъемные силовые установки останавливаются и убираются в ниши фюзеляжа поворотом мотогондол вокруг оси А (по углу рыска).
В горизонтальном полете (Фиг. 3) подъемная сила создается крыльями, тяга создается маршевым двигателем, а управление осуществляется дифференциальными рулями (которые могут быть установлены как на переднем, так и/или на заднем крыльях). При выходе из строя (или при исходном отсутствии) дифференциальных рулей управление осуществляется маршевой силовой установкой поворотом относительно осей В и Г. При выходе из строя маршевой силовой установки возможна посадка «по-планерному» под управлением дифференциальных рулей либо (если есть) на парашюте.
По сравнению с известными аналогами заявляемое техническое решение имеет ряд технико-экономических преимуществ, а именно:
1. Подъемные силовые установки стоят на пилонах на фюзеляже и не затеняются крыльями. Потери тяги от затенения крылом оцениваются пропорционально затененной площади, ометаемой винтом, и достигают 20%.
2. Подъемные силовые установки имеют фиксированный шаг винта, что снижает (до 10%) вес аппарата за счет исключения вертолетных втулок автомата перекоса винта.
3. Подъемные силовые установки оптимизированы только под взлетный режим, что снижает потребную мощность двигателей силовых установок не менее чем в 2 раза и приводит к экономии веса до 10% от взлетного и потребляемой мощности в 2 раза.
4. Оптимизация маршевой силовой установки под требования горизонтального полета приведет к увеличению топливной эффективности в 2 раза и соответственно увеличит продолжительность полет также в 2 раза.
5. Управление осуществляется за счет дифференциальных рулей. Маршевая силовая установка работает наилучшим образом. Повышение КПД до 5%.
6. В качестве маршевой силовой установки может использоваться как электрический двигатель с винтом (как вариант винт в кольце), так двигатель внутреннего сгорания (газотурбинный или поршневой). В первом случае достигается простота эксплуатации, а во втором случае высокая дальность и продолжительность полета. Использование в качестве двигателя маршевой силовой установки двигателя внутреннего сгорания позволяет отказаться от применения гибридной силовой установки и, как следствие, от преобразования механической энергии в электрическую и обратно, что дает увеличение КПД на 10%.
7. Подъемные силовые установки не создают сопротивления воздуху при горизонтальном полете, потому что они после взлета убираются в ниши фюзеляжа. Это позволяет снизить сопротивление конвертоплана на 5%.
8. Применение парашюта и дублированная система управления конвертопланом (либо маршевая силовая установка, либо дифференциальные рули) существенно увеличивает надежность полетов.