ВИНТОКРЫЛ
ROTARY-WING AIRCRAFT

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано в вертолетостроении.
Известны винтокрылы, выполненные по одно, двух или многовинтовым схемам (отечественные: Ка-22, Ка-35, американский - «Bell V-22 Osprey», британский - «Ротодайн», экспериментальные Х2, Х3). Общее их достоинство заключается в том, что они не требуют взлетно-посадочной полосы, а используя в своей конструкции крыло могут повысить скорость и дальность полета. Основными их недостатками является - неиспользование дополнительных движителей на вертолетных режимах (висение, вертикальный набор высоты и снижение, полеты на малых скоростях). При этом крыло на этих режимах полета не только неэффективно, но и создает дополнительное сопротивление потоку от несущего винта. На самолетных режимах (полет с крейсерской скоростью) - несущий винт работает в режиме создания пропульсивной силы в направлении полета при этом несущий винт создает основное сопротивление полету на наступающих лопастях где скорость обтекания приближается к скорости звука и растущим потерям в аэродинамическом качестве вертолета как летательного аппарата. Объединение в винтокрыле различных вертолетных и самолетных систем приводит к усложнению конструкции и приводит к снижению полезной весовой отдачи винтокрыла.
Основными их недостатками являются то, что винтокрылы обладают более низким по сравнению с самолетом значением аэродинамического качества, на пути увеличения которого, при существующих конструкциях винтокрылов, возникают непреодолимые трудности. Для винтокрылов с повышенной скоростью и дальностью полета свойственны - перетяжеленная и усложненная конструкция с отсутствием оптимальной гибридной силовой установки, высокая стоимость и трудоемкость изготовления и эксплуатации, большой риск возникновения аварийных ситуаций являются сдерживающим фактором на пути широкого внедрения винтокрылов.
Известен транспортный винтокрыл Ка-22, представляющий собой комбинацию вертолета и самолета с поперечным расположением несущих винтов и неподвижным механизированным крылом большого размаха с закрылками, поворачивающимися на 90°, с комбинированной силовой установки располагающей двумя турбовинтовыми двигателями с приводом двух тянущих воздушных винтов и двух несущих винтов расположенных на концах крыльев большого размаха, с неубирающимися трех опорными шасси с носовой стойкой.
К числу недостатков относится низкое аэродинамическое качество на крейсерской скорости полета, малый ресурс силовой установки и связанные с этим постоянная необходимость замены двигателей и редукторов, неоптимальное расположение несущих винтов, сложность и громоздкость конструкции, путевая неустойчивость с большим риском возникновения аварийных ситуаций, сложность, а иногда и непредсказуемость в управлении, недостаточная маневренность, большая трудоемкость в изготовлении и невозможность запуска в серийное производство.
Известен скоростной сверх маневренный винтокрыл (патент RU 2480379). Конструкция представляет трех винтовую ярусную схему с двумя несущими винтами в поворотных кольцевых каналах, расположенных на конце хвостовой балки, и скоростным несущим винтом, концы лопастей которого отогнуты в противоположную сторону его вращения. Винтокрыл снабжен силовой установкой с двумя газотурбинными двигателями, передающими крутящий момент через главный редуктор и систему привода через механизм синхронизации, состоящей из соединительных валов трансмиссии на несущий и нижние поворотные винты, газоструйными рулями путевого и продольного управления, трех опорным шасси. Винтокрыл имеет низкую весовую отдачу, сложную механическую схему преобразования аэродинамической конфигурации с вертолетной - трех винтовой с разновеликими несущими винтами в тянущую систему с задними поворотными несущими винтами - в винтокрыл - состоящий из ротора переднего несущего винта и двух подъемно-тянущих поворотных винтов на конце балки. Благодаря чему достигается увеличение скорости полета, но с увеличенным удельным расходом топлива, свойственным для вертолетов с низким аэродинамическим качеством
Представленная конструкция имеет существенные недостатки. Увеличенный вес за счет большого количества редукторов, за счет дополнительных несущих винтов, удлиненного хвостового оперения и трансмиссии. Взаимное влияние основного несущего и вспомогательных встречно вращающихся винтов ухудшает аэродинамику винтокрыла. Несущий винт на больших скоростях полета создает большое аэродинамическое сопротивление и повышенные вибрации. Главный недостаток - сложная система привода и синхронизации вращения всех винтов на разных режимах полета, сложность системы управления на переходных режимах полета и низкое аэродинамическое качество. Большая трудоемкость изготовления и доводки.
Наиболее близким аналогом по принципу действия и техническому исполнению к предлагаемому изобретению относится одновинтовой вертолет Ка-92 с авторотирующим, соосным несущим винтом и плоскими укороченными крыльями, который нами взят за прототип. Наличие крыльев позволяет считать его винтокрылом. Ка-92 обладает лучшими тактико-техническими характеристиками среди летательных аппаратов среднего класса. Его главные достоинства конструкции это: отсутствие хвостовой балки, трансмиссии, промежуточных редукторов и рулевого винта как у вертолета Ми-8; легкость переделки его в скоростной винтокрыл; наличие упрощенной системы управления по сравнению с одновинтовым вертолетом типа Ми-8; возможность использования эффекта Коанда; хорошо налаженное серийное производство; самая простая конструкция по сравнению с многовинтовыми винтокрылами, конвертопланам; наличие большого, скрытого резерва в части его дальнейшей модернизации; малый размах крыльев, не препятствующий работе несущих винтов, конструкция Ка-92 компактна.
Вертолет Ка-92 содержит фюзеляж с килем, два несущих соосных винта, расположенных в центре тяжести, толкающий винт, силовую установку, состоящую из двух турбовинтовых газотурбинных двигателей, основного редуктора, вентилятора и системы запуска, шасси.
Малый размах крыльев противоречит основным требованиям к крылу летательного аппарата: по оптимальному размаху, удлинению, площади, конфигурации, прочности, жесткости, весу и в итоге по аэродинамическому качеству. Это главный недостаток на пути создания скоростного винтокрыла. Другим недостатком является резкий рост аэродинамического сопротивления несущего винта по мере набора крейсерской и максимальной скорости полета. Использование морально устаревших силовых установок с увеличенным удельным весом также не позволяет в прежней компоновке достичь больших скоростей полета и обеспечить снижение удельного расхода топлива. Традиционно для всех вертолетов в том числе и для вертолета Ка-92 не свойственно осуществлять бесшумный полет. Вертолет не использует крыло для размещения топлива. Усложненная конструкция убирающихся шасси. Повышенный износ и снижение ресурса двигателей от попадания в них пыли, грязи и агрессивных включений. Отсутствие возможности самостоятельно перемещаться по территории с выключенными двигателями. Использование тяжелого редуктора. Отсутствие удобных площадок для ремонтного персонала.
Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции скоростного винтокрыла с повышенной транспортной и (или) боевой эффективностью, пониженным уровнем вибрации и шума, и с повышенной безопасностью полета, способного летать на более длительные расстояния с увеличенным количеством пассажиров или груза, в том числе, путем быстрой модернизации имеющегося парка серийно выпускаемых вертолетов.
Технической задачей изобретения является увеличение скорости полета и дальности за счет увеличения аэродинамического качества ЛА в целом и сниженном весе винтокрыла и уменьшения стоимости полетов и эксплуатационных затрат.
Поставленная техническая задача в винтокрыле, содержащем фюзеляж, силовую установку, крыло, киль, стабилизатор, несущий винт, шасси, систему управления, достигается тем, что содержит замкнутое крыло, установленное под несущим винтом концентрично относительно фюзеляжа, с размещаемым в нем топливом; автожирный несущий винт, силовую установку с дополнительными маршевыми ВРД и управляемыми векторами тяги, стабилизатор с управляемыми газодинамическими и механическими рулями.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении заявленного изобретения, является создание винтокрыла с соосным несущим винтом, по тактико-техническим параметрам относящемуся к лучшим образцам винтокрылов в своем классе, обладающим свойствами автожира, вертолета и самолета с увеличенной дальностью полета, свыше 1400 км, и скоростью полета свыше 450 км/час.
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенная конструкция винтокрыла имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Конструкция и принцип действия предложенного изобретения поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 - винтокрыл с соосными винтами и замкнутыми крылом и стабилизатором (вид сбоку);
фиг. 2 - схематический чертеж силовой установки;
фиг. 3 - винтокрыл (вид спереди);
фиг. 4 - винтокрыл (вид сзади).
Винтокрыл содержит: фюзеляж (1), автожирный авторотирующий соосный несущий винт (2) жесткой или шарнирной конструкции с обтекателем (3), киль (5), стабилизатор (6), замкнутое прямое или наклонное крыло (4), аэродинамические обтекатели (8, 10) колес переднего (9) и основного шасси (7), силовую установку, состоящую из воздушно-реактивных двигателей (14) для привода несущего винта (2), основного редуктора (16), муфты сцепления (12), мотор-генератора (13), редуктора (16), тормозного устройства (11), и тянущих воздушно-реактивных двигателей (17).
х
На винтокрыле с одним соосным несущим винтом в центре тяжести концентрично с верхним и нижним просветами относительно фюзеляжа (1) крепится замкнутое крыло (9). Крыло (9) имеет высокое аэродинамическое качество, относительно малый вес, большую жесткость и прочность. Такое крыло по сравнению с традиционным - "плоским", при равных по величине несущих площадях имеет меньший размах. Это позволяет скоростному потоку воздуха от несущего винта, имеющему значительно больший диаметр чем размах крыла, с незначительным сопротивлением проходить мимо крыла с малым размахом и без потерь сохранить несущие свойства. В этом процессе используется наиболее активная часть скоростного воздушного потока, формируемая концами лопастей несущего винта, скорость которого уменьшается по мере приближения к втулке несущего винта. Малый размах крыла, увеличенная прочность и жесткость за счет исключения узла консольного крепления к фюзеляжу, имеющего место у плоского крыла, обеспечивают ажурность конструкции, снижение толщины крыла со снижением коэффициента сопротивления С, значительное снижение веса винтокрыла и уменьшение лобового сопротивления. Формирование подъемной силы происходит по всему периметру замкнутого крыла, сверху и снизу относительно поверхности фюзеляжа (типа биплан), чего невозможно получить у винтокрыла с плоским крылом. Замкнутое крыло снижает индуктивные потери на концах плоских крыльев, и исключает потери, которые имеют место у плоских утолщенных крыльев в местах их стыковки с фюзеляжем. Замкнутое крыло обладает высокими несущими способностями, обеспечивая безсрывное обтекание на углах атаки до 43°÷55°. Увеличение аэродинамического качества винтокрыла на максимальной скорости обеспечивается снижением оборотов авторотирующего несущего винта, установкой несущих лопастей в положение минимального сопротивления, аэродинамическими обводами фюзеляжа, аэродинамическими обтекателями шасси и автомата перекоса, размещением основного топлива в крыле. Для улучшения аэродинамического качества винтокрылов, рассчитанных на большие скорости полета замкнутое крыло, выполняется с прямой или обратной стреловидностью. Для посадки по самолетному с большим углом тоннажа при коротком фюзеляже, задняя часть фюзеляжа может использоваться для выдвижного веерного хвоста, подобного хвосту птицы, выпускаемому при приземлении.
По мере набора максимальной скорости полета происходит перераспределение основной подъемной силы с авторотирующего соосного несущего винта (2) на крыло (4) с одновременным плавным снижением оборотов несущего винта до расчетного значения. При этом в полете плоскость вращения лопастей несущего винта находится в положении устойчивой авторотации с минимальным сопротивлением набегающему потоку, а при посадке на авторотации кольцевое крыло располагается на углах атаки с максимально возможной подъемной силой. Фюзеляж выполнен обтекаемой формы, рассчитанной на большие скорости полета. К силовым элементам фюзеляжа (1) крепится киль (5) и стабилизатор (6). Стабилизатор (6) выполнен геометрически подобным крылу (4) и вынесен в зону эффективного обдува от тянущих маршевых ВРД (17).
Колесо (9) переднего шасси с удлиненной стойкой убирается в фюзеляж (1) и закрывается обтекателем (10). Колеса (7) основного шасси убираются в аэродинамические обтекатели-гребни (8), расположенные на крыле (4).
В силовой установке воздушно-реактивные двигатели (14) служат для привода несущих винтов (2), для привода дополнительного компрессора и для привода мотор-генератора (13). Дополнительный компрессор (15) используется для наддува воздуха в маршевые ВРД (17). Мотор-генератор (13) служит для запуска ВРД (14) и энергообеспечения винтокрыла, в том числе для подзарядки бортовых источников питания и обогрева несущих лопастей. Тянущие ВРД (17), расположенные вблизи центра тяжести винтокрыла на общей силовой раме, обеспечивают создание пропульсивной тяги. Реактивные потоки выхлопных газов ВРД (17), выходящие из сопел с управляемым вектором тяги, обеспечивают балансировку винтокрыла с работой газодинамических рулей киля (5) и стабилизатора (6) с использованием эффекта Коанда. Колеса (7, 9) шасси выполнены с электроприводами для самостоятельного перемещения винтокрыла на земле без запуска основных двигателей.
Винтокрыл работает следующим образом. Взлет и полет возможно осуществлять вариантами: по вертолетному, самолетному или по автожирному. В варианте автожира полет выполняется на максимальную дальность с максимальной скоростью. Балансировка на взлете, зависание над «объектом» и в полете осуществляется с использованием реактивного сопла с изменяемым вектором тяги и газодинамических рулей с использованием эффекта Коанда. Бесшумный полет производится с помощью электромотора-генератора.
Для практической реализации изобретения созданы входящие в состав силовых установок запатентованные: тянущие бесшумные ВРД, высокоэффективные мотор-генераторы, облегченные бесшумные редукторы, энергоемкие источники питания, лазерные свечи зажигания, высоко ресурсные реверсивные сопла. Все перечисленное превосходит по техническим характеристикам зарубежные образцы. Главным и основным преимуществом в создании винтокрыла является то, что он создается путем модернизации существующих, доведенных до совершенства серийных отечественных или зарубежных вертолетов на серийных заводах, с неизменным производственным циклом и сложившимся кадровым составом опытных специалистов. В процессе создания винтокрыла возможна облегченная модернизация, благодаря использованию узлов и агрегатов, не требующих доработок или с минимальными доработками. К ним относятся: фюзеляж и грузопассажирский салон, кабина пилотов, соосный несущий винт вертолета, системы управления от вертолета, приборное оборудования и системы обеспечения. С целью снижения затрат на экспериментально-исследовательские и опытно-конструкторские работы и создание макетного образца возможно использование вертолетов с небольшим остаточным ресурсом.