БЕСПИЛОТНЫЙ СКОРОСТНОЙ ВИНТОКРЫЛ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть применена при создании новых конструкций беспилотных скоростных винтокрылов.
Известен винтокрыл Ка-22, описанный на сайте https://ru.wikipedia.org/wiki/Ка-22.
Винтокрыл Ка-22 содержит фюзеляж на базе самолета Ли-2, крылья, два несущих винта и два маршевых турбовинтовых двигателя.
Недостаток Ка-22 - низкая скорость полета, которая составляет 370 км/ч.
Известен винтокрыл Ка-34, содержащий фюзеляж, крылья, два турбовальных двигателя с соосными винтами и четыре маршевых турбовинтовых двигателей, который опубликован на сайте http://www.aviastar.org/helicopters_rus/ka-34.php
Недостаток Ка-34 - низкая максимальная скорость полета с маршевыми двигателями.
Известен винтокрыл Ка-35Д, описанный в описанный к книге Ю.Э. Савинский, «Камов. Творческая биография конструктора вертолетов», POLYGON PRES Москва 2003 стр. 162.
Комбинированная несущая система Ка-35Д состоит из крыла и поперечно расположенных на его концах несущих винтов. Комбинированная движительная система включает газотурбинные двигатели, осуществляющие привод несущих винтов, и турбореактивные двигатели, установленные на крыле, для создания пропульсивной силы.
Недостатком принятого на винтокрыле Ка-35Д технического решения является использование раздельных силовых установок (подъемных и маршевых), и режима авторотации винтов на самолетных режимах полета, что ограничивает возможности увеличения скорости полета свыше 500-550 км/ч.
Известен винтокрыл, описанный в патенте на полезную модель №168554 от 04.10.2016, который содержит: фюзеляж, в носовой части которого расположены носовой обтекатель, кабина экипажа с органами управления; закабинный отсек; переднее горизонтальное управляемое оперение, расположенное впереди оси вала соосного несущего винта; расположенный в средней части фюзеляжа обтекатель соосного несущего винта, включающего лопасти, втулки, обтекатели втулок, систему управления винтов и обтекатель вала верхнего несущего винта; мотогондолу с комбинированной силовой установкой, выполненной с возможностью перенастройки частоты вращения соосного несущего винта, комбинированный двигатель, обеспечивающий как привод соосного несущего винта посредством главного редуктора, так и создание пропульсивной реактивной тяги посредством хвостового сопла; крыло, расположенное позади оси вала соосного несущего винта и оборудованное управляемыми закрылками, элевонами и отклоняемыми консолями; вертикальное оперение с рулями направления, установленное на крыле; убираемое в полете шасси.
Недостатки предлагаемого винтокрыла, описанного в патенте на полезную модель №168554 от 04.10.2016: в материалах патента не отражено описание главного редуктора и комбинированного двигателя, который обеспечивает как привод соосного несущего винта посредством главного редуктора, так и создание пропульсивной реактивной тяги посредством хвостового сопла, т.е. не отражена вся совокупность характеристик аэродинамической компоновки силовой установки и главного редуктора, на что претендует описанный в патенте винтокрыл. Создание главного редуктора для передачи на несущие винты мощности от комбинированного двигателя и создание пропульсивной реактивной тяги связано с решением ряда сложных технических и технологических проблем. Описанный в патенте №168554 от 04.10.2016 комбинированный двигатель, не может обеспечить не только привод вала главного редуктора соосных несущих винтов, но и создать пропульсивную реактивную тягу посредством хвостового сопла, в виду того, что пилот винтокрыла физически не способен среагировать на внезапно возникшую перебалансировку такого необычного летательного аппарата.
Наиболее близкой по технической сущности и уровню эксплуатационных характеристик к патентуемой полезной модели является высокоскоростной сверхманевренный беспилотный вертолет, описанный в патенте на полезную модель №214067 от 11.07.2022 (прототип).
Высокоскоростной сверхманевренный беспилотный вертолет содержит фюзеляж, включающий кабину с комплексом бортового оборудования, оптико-электронную систему, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа, главный редуктор, систему соосных несущих винтов, верхний несущий трехлопастный винт и нижний несущий трехлопастный винт, два автомата перекоса, турбовальный двигатель, левый и правый боковые кили, установленные на хвостовой балке под углом к продольной оси вертолета хвостиками вниз, топливный бак, толкающий трехлопастный винт, центральный горизонтальный киль, установленный на хвостовой балке, правое и левое крылья адаптивного размаха, закрепленные в верхней части фюзеляжа, при этом хвостовая балка имеет возможность вертикального изменения угла от продольной оси вертолета в полете, вместе с тем, левое и правое крылья адаптивного размаха содержат силовую панель, пропущенную через центральную часть фюзеляжа, правое и левое складывающиеся крылья, правую и левую законцовки крыльев, которые при опускании крыла адаптивного размаха выполняют роль полозкового шасси, одновременно с этим, правый и левый боковой кили имеют законцовки, выполняющие при посадке роль полозкового шасси, вместе с тем, законцовки левого и правого крыльев адаптивного размаха правого и левого бокового килей выполнены из амортизационного материала для поглощения кинетической энергии посадочного удара при посадке.
Недостатком конструкции вертолета С.А. Мосиенко на полезную модель №214067 от 11.07.2022 является низкая скорость полета.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели, является увеличения скорости полета беспилотного скоростного винтокрыла.
Технический результат достигается за счет того, что беспилотный скоростной винтокрыл, содержит фюзеляж, включающий кабину с комплексом бортового оборудования, оптико-электронную систему, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа, главный редуктор, систему соосных несущих винтов, верхний несущий трехлопастный винт и нижний несущий трехлопастный винт, два автомата перекоса, турбовальный двигатель, левый и правый боковые кили, установленные на хвостовой балке под углом к продольной оси вертолета хвостиками вниз, топливный бак, толкающий трехлопастный винт, центральный горизонтальный киль, установленный на хвостовой балке, правое и левое крылья адаптивного размаха, закрепленняе в верхней части фюзеляжа, при этом хвостовая балка имеет возможность вертикального изменения угла от продольной оси вертолета в полете, вместе с тем, левое и правое крылья адаптивного размаха содержат силовую панель, пропущенную через центральную часть фюзеляжа, правое и левое складывающиеся крылья, правую и левую законцовки крыльев, которые при опускании крыла адаптивного размаха выполняют роль полозкового шасси, одновременно с этим, правый и левый боковой кили имеют законцовки, выполняющие при посадке роль полозкового шасси, вместе с тем, законцовки левого и правого крыльев адаптивного размаха, правого и левого бокового килей, выполнены из амортизационного материала для поглощения кинетической энергии посадочного удара при посадке, дополнительно сдержит опорно-поворотное устройство, при этом опорно-поворотное устройство, с размещенными на нем редукторной системой и системой соосных несущих винтов имеет возможность наклона вперед, назад, вправо и влево относительно перпендикуляра к строительной оси фюзеляжа беспилотного скоростного винтокрыла.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующим чертежами: фиг. 1, на котором показана структурная схема беспилотного скоростного винтокрыла сзади; фиг. 2, на котором показана структурная схема беспилотного скоростного винтокрыла спереди и сбоку; фиг. 3, на котором показана структурная схема беспилотного скоростного винтокрыла сбоку в полете, при изменении углов хвостовой балки, редукторной системы и системы соосных несущих винтов; фиг. 4, на котором показана структурная схема беспилотного скоростного винтокрыла без фюзеляжа; фиг. 5, на котором показана структурная схема системы несущих винтов; фиг. 6, на котором показана структурная схема редукторной системы; фиг. 7, на котором показана структурная схема опорно-поворотного устройства; фиг. 8, на котором показана структурная схема комплекса бортового оборудования.
Рассмотрим структуру и работу беспилотного скоростного винтокрыла (БСВ) 1.
Как видно из чертежа фиг. 1, БСВ 1, содержит фюзеляж 2, включающий кабину с комплексом бортового оборудования (на чертеже не показано), оптико-электронную систему 11, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа, систему соосных несущих винтов 8, верхний несущий трехлопастный винт 9, нижний несущий трехлопастный винт 10, левый 4 и правый 5 боковой киль, втулка толкающего винта, толкающий трехлопастный винт 7 и центральный горизонтальный киль 6, установленный на хвостовой балке 3. Горизонтальный киль 6 позволяет улучшить аэродинамические характеристики при горизонтальном полете БСВ 1.
Как видно из чертежа фиг. 2, БСВ 1, содержит правое 12 и левое 13 крылья адаптивного размаха, закрепленные в верхней части фюзеляжа 2. Левое 13 и правое 12 крылья адаптивного размаха содержат силовую панель 14, пропущенную через центральную часть фюзеляжа 2, правое 15 и левое 17 складывающиеся крылья, правую 16 и левую 18 законцовки крыльев, которые при опускании крыла адаптивного размаха выполняют роль полозкового шасси. Крылья адаптивного размаха 12 и 13 предназначены для снижения нагрузки на несущие винты 9 и 10 на 20-30%, и также позволяют сократить расход топлива во время крейсерского полета БСВ 1. Крылья адаптивного размаха 12 и 13, расположенные посередине системы соосных несущих винтов 8, оборудованы управляемыми закрылками, элевонами и отклоняемыми консолями (на чертеже не показано). Правый 5 и левый 4 боковой кили имеют законцовки 19 и 20, выполняющие при посадке роль полозкового шасси, вместе с тем, законцовки левого 18 и правого 16 крыльев адаптивного размаха, правого 19 и левого 20 бокового килей, выполнены из амортизационного материала для поглощения кинетической энергии посадочного удара при посадке.
Отсутствие у БСВ 1 типового полозкового шасси, позволяют уменьшить лобовое сопротивление и, как следствие, повысить скорость и дальность полета.
Как видно из чертежа фиг. 3, БСВ 1 содержит фюзеляж 2 с радиопрозрачным обтекателем. Хвостовая балка 3 имеет возможность вертикального изменения угла от продольной оси вертолета 23 в полете: трансформация вверх 24, горизонтальное направление 25 и трансформация вниз 26. Благодаря трансформируемой хвостовой балки 3, обеспечивается сверхманевренность БСВ 1. Маневры с использованием вертикальных и тангенциальных перегрузок обеспечивают изменение траектории и скорости полета БСВ 1.
Термин "сверхманевренность" означает способность БСВ 1 маневрировать без ограничений на угол атаки, хотя и не полностью отражает все возможности беспилотного винтокрыла. Среди них есть такие, которые можно по аналогии назвать "сверхуправляемостью" - возможностью практически неограниченно изменять ориентацию БСВ 1 относительно направления полета. БСВ 1, использующий закритические углы атаки в условиях моделирования маневра в вертикальной плоскости типа горка, действительно получает преимущество благодаря энергичному развороту и уменьшению радиуса виража. Известно, что к традиционным типам маневров вертолетов в вертикальной плоскости относятся: горки, пикирования, набор высоты, снижения и петля Нестерова. Для выполнения горки, маневр в вертикальной плоскости, который используется для быстрого набора высоты, хвостовая балка 3 трансформируется вверх 24, далее - горизонтальный полет, при этом хвостовая балка 3 трансформируется горизонтально 25, далее идет пикирование - хвостовая балка 3 трансформируется вниз 26.
Важным показателем маневренности являются возможности набора винтокрылом высоты по вертикали и по вертикальному снижению. Использование БСВ 1 хвостовой балки 3 трансформируемой вниз 26, позволяет получить высокую вертикальную скороподъемность. Вместе со скороподъемностью характерным показателем сверхманевренности является время вертикального набора высоты с учетом времени фиксации этой высоты.
Аэродинамические особенности соосных вертолетов, к которым относится БСВ 1, является отсутствие рулевого винта, что обеспечивает возможность выполнения принципиально новых типов криволинейных маневров в горизонтальной плоскости - воронок, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее, при этом носовая часть БСВ 1 всегда остается развернутой в сторону цели.
Основной тактический смысл применения БСВ 1 воронок заключается в том, что при применении этого сверхманевра, БСВ 1 может длительное время удерживать и направлять продольную ость в заданную область пространства, вверх или вниз, с использованием трансформируемой балки 3, которая поднимается вверх 24 или опускается вниз 26.
Как можно заключить из чертежа фиг. 3, БСВ 1 имеет опорно-поворотное устройство (на чертеже не показано) с размещенной на ней редукторной системой 30 и системой соосных несущих винтов 8, которая имеет возможность наклона вперед 29 на угол 27, вправо и влево относительно перпендикуляра 28 к строительной оси фюзеляжа 23 беспилотного скоростного винтокрыла 1.
Как видно из чертежа фиг. 4, БСВ 1 имеет редукторную систему 30, турбовальный двигатель 31, трансформируемый вал, который состоит из основного карданного вала 32, шарнира Гука 33 и заднего карданного вала 34, топливного бака 35, опорно-поворотного устройства 36, КБО 37 и рамы 38.
Рама 38 предназначена для крепления узлов и агрегатов, шарнир Гука 33 предназначен для передачи вращения между основным карданным валом 32 и задним карданным валом 34, стоящими под углом друг к другу.
Как видно из чертежа фиг. 5, система соосных несущих винтов 8 состоит: внутреннего 39 и внешнего вала 40, втулки верхнего несущего трехлопастного винта 41, поводка управления углом установки лопастей верхнего несущего винта 43, втулка нижнего несущего трехлопастного винта 42, поводка управления углом установки лопастей нижнего несущего винта 44, автомата перекоса верхнего несущего трехлопастного винта 45 и автомат перекоса нижнего несущего трехлопастного винта 46.
Как видно из чертежа фиг. 6, редукторная система 30 состоит из главного 47 и вспомогательного редуктора 48, эластичной муфты 49. Кроме того, редукторная система 30 имеет в своем составе верхний узел крепления 50, который содержит четыре верхних фланцев 51 для крепления к верхнему основанию (на чертеже не показано) опорно-поворотного устройства, нижний узел крепления 52 и нижние фланцы крепления 53. Вспомогательный редуктор 48 имеет в своем составе входной вал 54, предназначенный для подключения турбовального двигателя 31 и выходной вал 55, предназначенный для подключения основного карданного вала 32.
Как видно из чертежа фиг. 7, опорно-поворотное устройство (ОПУ) 36 состоит из верхнего 56 и нижнего 57 оснований, сервоприводов 58, которые содержат штоки 59, интерфейсного блока 61. Нижнее основание 57 - неподвижное и крепиться к раме 38 БСВ 1. Штоки 59 с помощью верхних сферических шарниров (на чертеже не показано) закреплены к верхнему подвижному основанию 56, сервоприводы 58 с помощью нижних сферических шарниров 60 закреплены к нижнему основанию 57. На подвижном основании 56 ОПУ 36 крепятся редукторная система 30 и система соосных несущих винтов 8.
В качестве ОПУ 36 используется платформа Стюарта, которая широко используется в погрузочных манипуляторах. ОПУ 36 состоит из шести сервоприводов 58. Штоки 59 имеют возможность изменять длину. Изменяя длины штоков 59, можно задавать положение верхнего основания 56 ОПУ 36, которое имеет шесть степеней свободы. Таким образом, редукторная система 30 и система соосных несущих винтов 8 имеет возможность наклона вперед, назад, вправо и влево относительно перпендикуляра 28 к строительной оси фюзеляжа БСВ 1.
Как видно из чертежа фиг. 8, система управления БСВ 1 состоит из КБО 37 и наземного пункта управления (НПУ) 71.
КБО 37 содержит бортовые датчики 62, блок приема-передачи управляющих сигналов (БПУС) 63, бортовую вычислительную систему (БВС) 64, блок управления электромеханическими рулевыми приводами (БУЭРП) 65, рулевые приводы 66, блок управления вспомогательным редуктором (БУВР) 67, блок управления 68 хвостовой балкой 3 и ОПУ 36, пилотажно-навигационный комплекс 69 и систему связи 70.
Турбовальный двигатель (ТВаД) 31 предназначен для вращения двух соосных винтов 9 и 10, система из двух соосных винтов 8 предназначена для параллельного вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси двух винтов 9 и 10, радиопрозрачный обтекатель предназначен для защиты КБО 37 от аэродинамических сил, полозковое шасси 16 и 18, 19 и 20, предназначено для посадки БСВ 1 на поверхность.
Заявленный БСВ 1 работает следующим образом.
По команде оператора НПУ 71 с автоматизированного рабочего места и средств связи (на чертеже не показано), с использованием КБО 37 включается ТВаД 31. БСВ 1 с использованием системы соосных несущих винтов 8, ОЭС 11 и пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) 69, совершает вертикальный и горизонтальный полет по заданному маршруту (на чертеже не показано).
Управление БСВ 1 в пространстве осуществляется оператором НПУ 71 по каналам связи с применением ОЭС 11, ПНК 69 путем визуального наблюдения и системой соосных несущих винтов 8. Оператор НПК 71 с использованием системы связи 77, БПУС 63, БВС 64, БУЭРП 65, ПНК 69 и рулевых приводов 66, расположенных в БСВ 1, управляет направлением и силой тяги системы из двух соосных винтов 9 и 10, автоматами перекоса 45 и 46.
Создание необходимой вертикальной перегрузки и маневрирование БСВ 1 осуществляется увеличением подъемной силы крыльев 15 и 17. При этом для предотвращения роста частоты вращения системы соосных несущих винтов 8 и тяги сверх допустимой величины, система автоматического управления дополнительно отклоняют вниз управляемые закрылки (на чертеже не показано).
Управление по курсу БСВ 1 обеспечивается созданием разности моментов на несущих винтах 9 и 10, реализуемой по упомянутой цепи от органов управления КБО 37 к соответствующему рулевому приводу 66, который перемещает рычаг и кинематически связанные с ним ползун (на чертеже не показано) со смонтированным на нем автоматом перекоса и второй рычаг, который также кинематически связан с автоматом перекоса системы соосных несущих винтов 8.
Управление БСВ 1 по тангажу и крену обеспечивается соответствующим наклоном автоматов перекоса 45 и 46 с учетом данных, которые в режиме реального времени поступают от бортовых датчиков 62 и ПНК 69. Передача и прием сообщений (команд) на управление БСВ 1 происходит с использованием средств связи 70 входящими в состав КБО 37 и НПУ 71. Напряжение для электропитания ОЭС 11 и КБО 37 подается от генератора (на чертеже не показано) подключенного к вспомогательному редуктору 48.
Для перехода в режим скоростного полета БСВ 1, оператор НПУ 71 передает сообщение (команду) на средства связи 70 КБО 37.
Бортовая вычислительная система 64, обрабатывает полученный от средств связи 70 управляющий сигнал и передает его на блок управления электромеханическими рулевыми приводами 65, рулевые приводы 66 и блок управления вспомогательным редуктором 67.
Блок управления редуктором 67 включает муфту (на чертеже не показано), которая осуществляет соединение редуктора 48 с валом 32, обеспечивающего через шарнир 33 взаимную кинематическую связь с валом 34 на котором установлен толкающий винт 7. Изменение углов хвостовой балки 3, крыла адаптивного размаха 12 и 13, углов ОПУ 36 происходит по команде оператора НПУ 71 с использованием блока 68. Управление ОПУ 36 осуществляется через блок 68 и 61, который управляет сервоприводами 58 и, как следствие, поворачивает верхнее основание 56 ОПУ 36 вперед, назад, влево и вправо.
На режиме взлета и висения БСВ 1 ОПУ 36 с редукторной системой 30 и системой соосных несущих винтов 8 расположена вертикально 28 или имеет минимальный угол наклона 27 вперед γ=86-90°.
Система несущих винтов 8 работает как обычная система соосных винтов вертолета, для обеспечения устойчивости и управляемости используется управление общим и циклическим шагом винта, крылья 15 и 17 на данном режиме малоэффективны. При этом энергию двигателя 31, потраченную на раскрутку винтов, можно условно разделить на два потока: создание подъемной силы (полезное использование) и закрутка потока воздуха ниже винта (потери энергии) - см. Патент России №129485 от 26.12.2012.
В режиме горизонтального полета БСВ 1 ОПУ 36 наклоняется вперед на угол до 70° (γ=70°), чем выше скорость горизонтального полета БСВ 1, тем больше угол наклона 27 ОПУ 36. Аэродинамика винта изменяется. Лопасти набегающие (азимутальный участок 0-180°) и лопасти отстающие (азимутальный участок 0-180°) используют подведенную энергию по максимуму. Несимметрия обтекания набегающих и отстающих лопастей попарно компенсируется соосным и синхронизированным вращением верхнего 9 и нижнего винтов 10. При наклоне ОПУ 36 происходит изменение балансировки БСВ 1 т.к. центр масс смещается назад относительно точки приложения подъемной силы. Для выравнивания положения фюзеляжа БСВ 1 относительно горизонтальной оси 23 используется левый 4 и правый 5 боковой киль, установленный на хвостовой балке 3 под углом к продольной оси БСВ 1 хвостиками вниз и трансформируемые крылья 15 и 17. Дополнительные возмущения от неравномерности набегающего потока компенсируются рулями высоты и рулями направления размещенными на крыльях 15 и 17 (на чертеже не показаны) под контролем КБО 37 и оператора 71.
Во время полета БСВ 1 вперед мощность двигателя 31, потребная для полета, снижается по сравнению с мощностью потребной для висения, и избыток мощности задействуется для вращения толкающего винта 7, расположенного в задней части фюзеляжа, для увеличения скорости полета. На режимах полета со скоростями более 400 км/ч крылья 15 и 17 обеспечивают как практически полную разгрузку несущих винтов 9 и 10, и существенное уменьшение амплитуды махового движения лопастей при полете с малой частотой вращения, что снижает сопротивление несущих винтов, нагрузки в элементах конструкции и практически исключает влияние несущих винтов на энергетику винтокрыла, его управляемость и балансировку, так и возможность маневрирования с большими перегрузками, сохраняя малую тягу несущих винтов путем увеличения подъемной силы крыльев.
Основные технические характеристики БСВ 1 приведены в таблице 1. Предлагаемый БСВ 1, за счет возможности регулирования угла наклона 27 системы несущих винтов 8, позволяет получить высокие скоростные характеристики к совокупности с низкими энергетическими затратами в полете благодаря улучшенной аэродинамике несущей системы.
Таким образом, ОПУ 36, крылья адаптивного размаха 12 и 13, позволяют улучшить аэродинамические характеристики БСВ 1, редуктор 48 обеспечивает перераспределение мощности ТВаД 31 при переходе в режим скоростного полета с несущих винтов 9 и 10 на задний толкающий винт 7 и, как следствие, позволяет увеличить скорость полета БСВ 1.
Исходя из вышеперечисленного, достигается технический результат данной полезной модели: увеличение скорости полета. Испытания на цифровом двойнике БСВ 1 с использованием цифрового двойника ТВаД 31 показали, что БСВ 1 соответствует всем заявленным характеристикам таблицы 1. Заявляемый БСВ 1 может быть изготовлен в условиях серийного производства с использованием имеющихся в отрасти материалов и технологий.