УСТРОЙСТВО ВЕРТОСТАТА С ОДНИМ ИЛИ ДВУМЯ НЕСУЩИМИ ВИНТАМИ
HELISTAT WITH ONE OR TWO ROTORS

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству вертостата с одним или двумя несущими винтами.
Как разновидность гибридных аппаратов вертостат отличается от классических дирижаблей наличием одного, двух и более несущих винтов. По составу других элементов и частей вертостат соответствует классическому дирижаблю. Он включает несущую оболочку, полужесткой или жесткой конструкции, кабину экипажа или гондолу с полезной нагрузкой, шасси, силовую установку, где в качестве движителей, создающих горизонтальную тягу, могут быть использованы различные типы источников мощности (например, поршневые двигатели (ПД), газотурбинные двигатели (ГТД), электродвигатели (ЭД)).
Управление полетом вертостата осуществляется с помощью изменения положения рулевых поверхностей, изменения величины и направления вектора тяги несущих винтов, режима работы маршевой силовой установки, а также изменением плотности несущего газа или его температуры внутри несущей оболочки аппарата.
В процессе проработки компоновки вертостата его несущие винты должны устанавливаться в такой зоне конструкции, где они способны создавать вектор подъемной силы тяги максимально возможной величины с обеспечением необходимого угла его отклонения от вертикали для осуществления управляющих воздействий. Вместе с тем, схема расположения несущих винтов на вертостате сильно влияет на приращение массы конструкции за счет устройства дополнительных выносных ферменных пролетов, обеспечивающих свободу движения отбрасываемого воздушного потока при всех расчетных случаях эксплуатации.
Известны устройства вертостатов с креплением несущих винтов на выносных ферменных балках, через которые на конструкцию аппарата передаются эксплуатационные нагрузки, создаваемые тягой винта и массой его рабочего модуля:
проект «Heli-Stat» - один из первых реально летавших вертостатов фирмы «Пясецки эйркрафт» США (М.Я. Арие «Дирижабли» Киев. Наукова думка 1986 г., Рис.74 стр.124);
проект фирмы «Good Year» США (М.Я. Арие «Дирижабли» Киев. Наукова думка 1986 г., Рис.75 стр.125);
проекты фирмы «Кавасаки хеви индастриз» Япония (М.Я. Арие «Дирижабли» Киев. Наукова думка 1986 г., Рис.76,77 стр.126);
проекты «Helicostat» и «Aerostat» фирмы «Аэроспасьяль» Франция (М.Я. Арие «Дирижабли» Киев. Наукова думка. 1986 г., Рис.79, стр.128 и Рис.80 стр.130);
патент ФРГ 1977 г. №26404333, кл. В64В (Ю.С.Бойко «Воздухоплавание в изобретениях» Москва. Транспорт.1999 г. Стр.232. Рис.211. Стр. 234).
Во всех перечисленных проектах вертостаты снабжены широко разнесенными ферменными балками, на конце каждой из которых закреплен модуль с несущим винтом.
Недостатком таких схем крепления несущих винтов является большая дополнительная масса протяженных несущих ферменных конструкций и их предрасположенность к возникновению самовозбуждающихся колебаний (резонансов).
В качестве прототипов выбраны проекты «Helicostat» и «Aerostat» фирмы «Аэроспасьяль» Франция (М.Я. Арие «Дирижабли» Киев. Наукова думка. 1986 г., Рис.79, стр.128 и Рис.80 стр.130), в которых используются один (проект «Helicostat») и два (проект «Aerostat») несущих винта. У прототипа проекта «Helicostat» один несущий винт помещен в центре ферменной конструкции между двумя газовыми баллонами. У прототипа проекта «Aerostat» два несущих винта расположены на ферме слева и справа от несущей оболочки.
Прототипы по способу компоновки несущих винтов имеют общий недостаток, который проявляется в необходимости применять протяженные ферменные балки, длина которых диктуется величиной радиуса ометаемой площади несущих винтов и безопасными зазорами между концами лопастей и несущей оболочкой. Размеры поперечного сечения балок определяются как условиями пространственной прочности, так и требованиями отстройки от опасных частот самовозбуждающихся резонансных автоколебаний. В результате вся конструкция оказывается перетяжеленной на величину массы частей ферм, выступающих за габариты несущей оболочки.
Задачей изобретения является устройство вертостата с одним или двумя несущими винтами с такой компоновкой, при которой не требуется закрепление рабочих модулей несущих винтов на протяженных ферменных балках, выступающих за габариты аппарата.
Задача изобретения решается тем, что предложена установка несущих винтов на кабанах (7) (см. Фиг.1 и Фиг.2). Кабаны, в свою очередь, закреплены на силовых шпангоутах (8) внутренней силовой схемы несущей оболочки.
Полученный технический результат характеризуется следующим существенным признаком.
Несущие винты (2) установлены на кабанах (7) выше уровня образующей несущей оболочки (1) вертостата и имеют свободу вращения без соударения концов лопастей с ней, а кабаны (7) несущих винтов неподвижно присоединены к силовым шпангоутам (8) несущей оболочки (1) с возможностью передачи действующих нагрузок от несущего винта (2) на внутреннюю силовую конструкцию оболочки вертостата.
На Фиг.1 показана схема технической реализации устройства на примере автожирного вертостата с одним несущим винтом.
На Фиг.2 показана схема технической реализации устройства на примере автожирного вертостата с двумя несущими винтами.
Устройство компоновки одного или двух несущих винтов вертостата изображено на Фиг.1 и на Фиг.2 с одинаковыми обозначениями позиций.
Несущая оболочка вертостата (1) имеет несущие винты (2), кабину экипажа с полезным грузом (3), корпусной модуль хвостового оперения (4), силовые установки (5), шасси (6), кабаны несущего винта (7) и силовой шпангоут (8) несущей оболочки. Втулки несущих винтов (2) установлены на кабанах (7) и имеют свободу авторотирующего вращения. Кабаны (7) неподвижно закреплены на силовых шпангоутах (8) несущей оболочки. Плоскость расположения силового шпангоута (8) согласована с положением центра тяжести вертостата и центра всплывной силы.
Устройство вертостата с одним или двумя несущими винтами реализуется следующим образом (Фиг.1 и Фиг.2).
Вместо вертолетных винтов для вертостата выбираются автожирные несущие винты, набегающий поток к которым в наборе высоты, в горизонтальном полете и на режимах снижения подходит к винту не сверху, а снизу. Поэтому не требуется выносить несущий винт в сторону от оболочки вертостата на ферменной балке, чтобы обеспечить свободное пространство для отбрасываемой вниз струи, как у вертолетного несущего винта. Подойдя к авторотирующему винту снизу, воздушный поток пересекает его площадь снизу вверх и скашивается назад. Близость оболочки никак не влияет на процесс обтекания автожирного винта. В связи с этим становится возможным втулку автожирного винта установить на кабане, а кабан закрепить непосредственно на силовом шпангоуте несущей оболочки в его верхней точке. В результате все действующие нагрузки от вектора подъемной силы автожирного несущего винта по кратчайшему пути через кабан и силовой шпангоут передаются на внутреннюю силовую схему несущей оболочки. Тем самым вся лишняя масса от выносных пролетов ферменных балок устраняется, конструкция упрощается, весовая отдача вертостата увеличивается.
Предложенное устройство вертостата с одним или двумя несущих винтами позволило:
- исключить необходимость ввода в конструкцию выносных консольных ферменных балок для размещения на их концах модулей несущих винтов;
- свести к минимуму предпосылки для возникновения самовозбуждающихся колебаний системы (резонанса), ввиду отсутствия консольных ферменных балок конечной жесткости;
- облегчить, упростить и удешевить конструкцию вертостата;
- повысить надежность системы путем ослабления факторов риска, связанных с вибрациями элементов конструкции, протяженностью коммуникаций управления и трансмиссии.