ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА
VTOL AIRCRAFT

Описание изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение «Летательный аппарат вертикального взлета» относится к авиационной технике, в частности к летательным аппаратам тяжелее воздуха, аэродинамического принципа действия.
2. Уровень техники
Существуют патенты «Вертолет» [Ивчин В.А., Назаров Н.А., Овчинников В.И., Шацкий Г.Ю., Якубов В.К., патент РФ №2246426 от 21.07.2003 г. на изобретение «Вертолет», RU 2246426 по заявке №2003122951], «Вертолет», который имеет соосную конструкцию подъемных винтов [Михеев С.В., Губарев Б.А., Вагис В.П., патент РФ №2263607 от 01.04.2004 г. на изобретение «Вертолет», RU 2263607 по заявке №2004109706], но подъемным механизмом этих «Вертолетов» являются винты, а в данном изобретении «Летательный аппарат вертикального взлета» подъемным механизмом являются лопатки.
3. Раскрытие изобретения
Технический результат применения летательного аппарата вертикального взлета состоит:
1) в полном устранении вибрации аппарата;
2) в конструкции действует статическая нагрузка, что является повышением надежности летательного аппарата (у вертолета во время полета вся конструкция держится на вращающемся валу, на котором закреплены лопасти подъемного винта, а в изобретении «Летательного аппарата вертикального взлета» подъемная сила вращающихся лопаток, действует на двутавровые кольца, которые крепятся к фермам, а фермы приварены к центральной трубе, к которой крепится кабина;
3) в место трех шарниров, удерживающих лопасти винта вертолета, в конструкции «Летательного аппарата вертикального взлета» для удержания лопаток применяются металлические полосы.
«Летательный аппарат вертикального взлета», состоящий из фюзеляжа (кабины) 2, силовой установки, подъемного механизма, двух турбовинтовых двигателей 8, хвостового вентилятора 12 (фиг. 1, фиг. 2) с изменяющимся положением лопаток, шасси, подвески, для транспортировки груза, отличается тем, что подъемный механизм состоит из конструкции, изготовленной из ферм 1, к которой крепятся четыре двутавровых кольца различных диаметров 38, 39, 40, 41 (фиг. 4, вид снизу), которые служат опорой колес 47 кареток 43, 44 (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 7); каретки поддерживают внешние лопатки 25 и внутренние лопатки 24, на которых они закреплены, внешние лопатки 25 с помощью металлических полос 23 соединяются с барабаном 17 большего диаметра (фиг. 4, фиг. 5), внутренние лопатки 24 с помощью металлических полос 22 соединяются с барабаном 16 меньшего диаметра; барабаны 16, 17 имеют общий центр вращения: на барабаны 16, 17 через редуктор 11 от двигателей 3 передается момент вращения; применяются внешние лопатки 25 и внутренние лопатки 24, находящиеся ближе к центру вращения, чем внешние; внешние лопатки 25 имеют возможность вращаться навстречу внутренним лопаткам 24; «летательный аппарат вертикального взлета» имеет возможность взлетать вертикально вверх (фиг. 1 - фиг. 8).
4. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан общий вид «летательного аппарата вертикального взлета» спереди и сбоку. Кабина (фюзеляж) 2 с помощью кронштейнов соединена с несущей балкой 4, к которой крепится центральная труба 14. К центральной трубе 14 приварены фермы 1 в количестве 12 шт. К центральной трубе 14 приварена вспомогательная труба 50, которая служит для усиления конструкции ферм 1 через трубу 51. К центральной балке 4 присоединены двигатели 3 силовой установки. К кабине 2 присоединены турбовинтовые двигатели 8 в количестве 2 шт. К кабине 2 присоединены трубы 13 для удержания хвостового вентилятора 12. К кабине 2 присоединены червячные редукторы 9 в количестве 2 шт., которые с помощью тяг 10 изменяют угол наклона подъемного механизма по отношению к кабине 2. Показаны внешние лопатки 25 и внутренние лопатки 24 подъемного механизма.
На фиг. 2 показан вид сверху «летательного аппарата вертикального взлета». Дополнительно (к фиг. 1) показаны двутавровые кольца 38, 39, 40, 41, трубы 52, 53 для удержания лопаток на определенном расстоянии, трубы 54 между фермами 1.
На фиг. 3 показаны внешняя лопатка 25, каретки 43, 44, колеса 47 кареток; дополнительные трубы 57, на которых закреплены двутавровые кольца 38, 39. К двутавровому кольцу 38 напротив каждой фермы 1 приварены кронштейны 55, которые удерживают кольцо 56. Показаны внутренняя лопатка 24, каретки 43, 44, колеса 47 кареток. Показаны двутавровые кольца 40, 41. К нижней полке двутаврового кольца 39 приварено кольцо 42. К каретке 44 внешней лопатки 25 присоединена металлическая полоса 23. К каретке 44 внутренней лопатки 24 присоединена металлическая полоса 22. Ферма 1 состоит из сваренных между собой труб 5.
На фиг. 4 (вид снизу) показаны внешние лопатки 25 и внутренние лопатки 24, Показаны двутавровые кольца 38, 39, 40, 41. Металлические полосы 23, 22. Показана труба 54, соединяющая фермы. Показаны колеса 47 кареток 43, 44 (см. описание фиг. 3) внешних лопаток 25 и внутренних лопаток 24.
На фиг. 5 показаны центральная труба 14, барабаны 16, 17, фиксирующие кольца 20, 21, 29. На барабаны 16, 17 посажены зубчатые колеса 27, 28. К барабану 16 приварен первый диск 18. На барабан 16 напрессован второй диск 18 для удержания металлических полос 22. Полосы удерживаются с помощью вставок 26. К барабану 17 приварен первый диск 19. На барабан 17 напрессован второй диск 19 для удержания металлических полос 23. Полосы удерживаются с помощью вставок 26.
На фиг. 6 показана центральная труба 14, на которой закреплена втулка 7 с помощью вставок 15. К втулке 7 приварены уголки 6. Показана часть редуктора 11: коническая шестерня 30 в зацеплении с коническим зубчатым колесом 31, которое закреплено на валу 32; на валу 32 посажена ведущая шестерня 33, которая находится в зацеплении с зубчатым колесом 28 барабана 17; на валу 32 посажена шестерня 34, которая находится в зацеплении с промежуточной шестерней 35 вала 36; на валу 36 посажена ведущая шестерня 37, которая находится в зацеплении с зубчатым колесом 27 барабана 16.
На фиг. 7 показано колесо 47 с ободом и ступицей. Показано сечение 49 резинового кольца. Показана часть каретки 43. Показана ось 46 колеса 47.
На фиг. 8 показано основание каретки 44 и положение внешних и внутренних лопастей относительно кареток.
5. Осуществление изобретения
«Летательный аппарат вертикального взлета» состоит из следующих основных частей: системы ферм 1 в количестве 12 шт., внешних лопаток 25, в количестве 12 шт., вращающихся по часовой стрелке, если смотреть на аппарат сверху, внутренних лопаток 24 в количестве 12 шт., вращающихся против часовой стрелки, силовой установки, кабины 2 для пилота и пассажиров (фюзеляжа), шасси и подвески для транспортировки тяжелых грузов.
Фермы 1 в количестве 12 шт. расположены по радиусам установки, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Нижняя труба фермы длиной 7,2 м, верхняя труба длиной 6,5 м, высота - 1 м.
На Фиг. 1 показан вид аппарата спереди и с левого боку, а на Фиг. 2 показан вид сверху.
Фермы 1 изготовлены из труб 5, Фиг. 3, наружный диаметр 0,04, внутренний диаметр 0,02. Материал - магниевые сплавы.
Фюзеляж 2, или кабина, служит для размещения пилота и пассажиров. В нижней части фюзеляжа установлена емкость для топлива. Ширина кабины 2 м, длина 4 м, высота 2,5 м.
Двигатели 3 силовой установки крепятся к несущей балке 4. Длина балки 4 равна 2,2 м. Балка изготовлена из неравнобоких уголков 6, номер профиля 4,5/2,8, которые приварены к втулке 7, материал - магниевые сплавы. Фиг. 6.
Турбовинтовые двигатели 8 предназначены для движения в полете аппарата вперед. Мощность одного двигателя примерно 200 кВт.
Червячные редукторы 9, Фиг. 1 и Фиг. 2, служат для того, чтобы изменять угол наклона системы ферм 1 относительно кабины 2, изменение угла наклона происходит с помощью тяг 10. Вращение редуктора 9 получают через муфту от главного редуктора 11.
Вентилятор 12, Фиг. 1 и Фиг. 2, с изменяющимся углом положения лопаток служит для поворотов аппарата в пространстве. Вентилятор 12 с помощью труб 13 крепится к кабине. Вентилятор 12 приводится во вращение от редуктора 11.
Трубы 5 ферм 1 приварены к несущей трубе 14, Фиг. 1 и Фиг. 5.
Наружный диаметр труб 0,04 м, внутренний 0,02 м.
Несущая труба 14 изготовлена из магниевых сплавов повышенной прочности. Наружный диаметр 0,12 м, внутренний диаметр 0,06 м, длина трубы 2,22 м.
На нижнюю часть трубы 14 напрессована втулка 7, Фиг. 6, которая удерживается двумя запрессованными стальными вставками 15.
Диаметр вставок 15 равен 0,05 м, длина 0,26 м. Они удерживаются с помощью пружинных колец, которые располагаются на концах вставок 15.
Наружный диаметр втулки 7 равен 0,18 м, внутренний диаметр 0,12 м, высота 0,26 м. Втулка 7 изготовлена из магниевых сплавов.
К балке 4 крепится редуктор 11. Вращающий момент от двигателей 3, которые закреплены на балке 4, через редуктор 11 передается барабанам 16 и 17, Фиг. 5 и Фиг. 6.
Наружный диаметр барабана 16 равен 0,2 м, внутренний диаметр 0,168 м, длина 0,548 м. Барабан вращается на двух специальных подшипниках, наружный диаметр которых 0,176 м, внутренний - 0,12 м.
Подшипники на несущей трубе 14 фиксируются с помощью колец 20, которые с помощью стопорных болтов, в количестве 3 шт. М8 крепятся к трубе 14. В сечении колец квадрат со стороной 0,02 м. Наружный диаметр барабана 17 равен 0,28 м, внутренний диаметр 0,248 м, длина барабана 0,2 м. Барабан 17 вращается на двух специальных подшипниках, наружный диаметр которых 0,256 м, внутренний - 0,2 м.
Подшипники фиксируются на барабане 16 с помощью колец 21, которые с помощью стопорных болтов М8 крепятся к барабану 16.
Барабаны 16, 17 изготовлены из магниевых сплавов.
Вращающий момент от барабанов 16 и 17 с помощью дисков 18 и 19, полос 22 и 23 передается лопаткам 24 и 25, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5. На Фиг. 4 показан вид снизу. Толщина полосы 0,02 м, ширина верхней части 0,06 м, нижней - 0,05 м.
Наружный диаметр дисков 18 равен 0,55 м, внутренний - 0,2 м, толщина дисков 0,01 м. Наружный диаметр дисков 19 равен 0,63 м, внутренний диаметр 0,28 м, толщина дисков 0,01 м.
Диски с полосами соединяются с помощью трех стальных вставок 26, полосы с помощью двух стальных вставок 26 соединяются с каретками 44, Фиг. 4 и Фиг. 8. Диаметр вставки 26 равен 0,02 м, длина - 0,05 м. Вставки 26 шплинтуются.
Нижние диски 18 и диски 19 приварены к барабанам 16 и 17, а верхние напрессованы на барабаны 16, 17, Фиг. 5. Диски 18, 19 и металлические полосы 22, 23 изготовлены из магниевых сплавов.
На барабан 16 напрессовано стальное зубчатое колесо 27, делительный диаметр 0,24 м, внутренний диаметр 0,2 м, высота 0,04 м. Модуль m4, количество зубьев 60.
На барабане 16 зубчатое колесо фиксируется с помощью двух шпонок, не показано, крепится между двух колец 21, которые присоединяются к трубе 14 с помощью болтов М8.
На барабан 17 напрессовано стальное зубчатое колесо 28, делительный диаметр 0,32 м, внутренний диаметр 0,28 м, высота 0,04 м. Модуль m4, количество зубьев 80.
На барабане 17 зубчатое колесо 28 фиксируется с помощью двух шпонок, не показано, крепится между двух колец 29, которые присоединяются к барабану 17 с помощью болтов М8, Фиг. 5.
Вращающий момент с редуктора левого двигателя, как показано на Фиг. 6, передается на ведущую коническую шестерню 30 главного редуктора 11.
С конической шестерни 30 вращающий момент передается коническому зубчатому колесу 31. Отношение делительных диаметров 1/5.
Зубчатое колесо 31 посажено на стальной вал 32 на шпонку. Диаметр вала 32 равен 0,03 м, длина 0,28 м. Вал 32 вращается с помощью двух подшипников, находящихся на его концах и закрепленных в стенке редуктора 11.
На валу 32 на шпонке посажена ведущая стальная шестерня 33, которая находится в зацеплении с зубчатым колесом 28. Делительный диаметр шестерни 33 равен 0,08 м, внутренний 0,03 м, высота 0,04 м. Количество зубьев - 20.
Промежуточная шестерня 34 напрессована на шпонке на вал 32. Делительный диаметр 0,06 м, внутренний 0,03 м, высота 0,04 м. Количество зубьев - 15.
Промежуточный вал 36 вращается с помощью двух подшипников, посаженных на концах вала и закрепленных в стенке редуктора 11.
На этом же валу 36 посажена на шпонке ведущая стальная шестерня 37, сцепленная с зубчатым колесом 27. Делительный диаметр шестерни 37 равен 0,06 м, внутренний 0,03 м, высота 0,04 м. Количество зубьев - 15.
Передача вращающего момента с правого двигателя подобна передаче вращающего момента с левой стороны.
Для движения колес кареток с лопатками 25 к фермам присоединены кольца 38 и 39 из двутавра, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4.
На Фиг. 4 показан вид снизу.
Двутавры 38 и 39, номер 16, крепятся к фермам с помощью дополнительных труб 57 и кронштейнов, как показано на выносном элементе, I, Фиг. 3.
К трубе 57 приварена полоска металла толщиной 0,005 м, шириной, равной ширине двутавра. Двутавр крепится к кронштейну при помощи четырех болтов М8. Это сделано для того, чтобы не было в фермах 1 и двутавровых кольцах 38, 39 дополнительных тепловых напряжений, увеличенные отверстия в кронштейнах будут давать небольшое смещение.
Диаметр двутаврового кольца 38 равен 14,4 м. Диаметр двутаврового кольца 39 равен 12 м. Материал колец магниевые сплавы.
К кольцу 38 напротив каждой фермы приварен кронштейн 55, к которому приварено легкое кольцо 56 шириной 0,05 м и толщиной 0,01 м для удержания колес 47 каретки 43 лопатки 25 при стоянке аппарата, Фиг. 3.
К нижней полке двутаврового кольца 39 приварено тонкое кольцо 42, на которое опираются колеса 47 каретки 43 лопатки 24 при стоянке. Кольца 56 и 42 изготовлены из магниевых сплавов.
Диаметр двутаврового кольца 40 равен 11,8 м, а двутаврового кольца 41 равен 8,8 м. Двутавровые кольца 40 и 41 изготовлены из магниевых сплавов, номер двутавра 14.
Двутавровые кольца 40 и 41 крепятся к трубам ферм 1 с помощью кронштейнов и четырех болтов М8, как показано на выносном элементе, II, Фиг. 3.
У каждой лопатки имеется две каретки 43 и 44. Каретки изготовлены из магниевых сплавов. Толщина стенки основания каретки 43 равна 0,01 м. На основании каретки 43 приварены ребра жесткости 45, которые поддерживают двойную стенку. В двойной стенке имеется отверстие, в которое вставляется стальная ось 46 колеса 47, Фиг. 7. У каретки 43 имеется два колеса.
Диаметр оси 46 равен 0,03 м, длина 0,085 м. На ось 46 напрессовано два конических подшипника 2007106. На оси 46 подшипники удерживаются круглой гайкой 48 М24. Подшипники закрыты манжетами.
Каретка 44, Фиг. 8, изготовлена из магниевого сплава, толщина стенок основания каретки равна 0,02 м. Там где ставятся оси 46 подшипников, используется двойная толщина стенок. У каретки 44 имеется два колеса.
Длина кареток 43 и 44 равна 1 метр, ширина 0,26 м.
Колеса 47 кареток изготовлены из магниевых сплавов. Диаметр колеса 0,3 м.
Ширина обода колеса 47 равна 0,04 м, толщина обода 0,02 м. У колеса 8 спиц.
Ширина спицы 0,02 м, толщина 0,02 м? Фиг. 7.
На ободе имеется резиновое кольцо 49, армированное стальными нитями. Оно сделано для того, чтобы устранить шум при движении. Толщина кольца 49 равна 0,01 м, ширина 0,03 м. В ободе сделано специальное углубление под резиновое кольцо.
Диаметр ступицы колеса 47 равен 0,12 м, ширина 0,04 м, внутренний диаметр равен 0,055 м.
Лопатками 24 и 25 являются концы лопастей от вертолета Ми-6 шириной 1 м. Длина лопатки 25 равна 1 м, а длина лопатки 24 равна 1,5 м. Расположены лопасти относительно кареток так, как показано на Фиг. 8. Угол атаки примерно равен 12-14 градусов.
В трубу 14 вставлена дополнительная труба 50. Диаметр 0,06 м, внутренний 0,03 м, высотой 1 м. Труба 50 приварена к несущей трубе 14.
Для придания большей жесткости фермам 1, к каждой ферме 1 и трубе 50 приварены раскосы 51, Фиг. 1. Наружный диаметр трубы 51 равен 0,04 м, внутренний - 0,02 м, длина 2,5 м.
Каретки 44 лопаток 25 связаны трубами 52, Фиг. 2. Каретки 44 лопаток 24 связаны трубами 53. Диаметр труб 52 равен 0,03 м, внутренний 0,01 м.
Это сделано для того, чтобы внешние лопатки 25 находились на определенном расстоянии друг от друга
Фермы 1 в верхней части перед лопатками 24 для придания большей жесткости конструкции связаны трубами 54, Фиг. 2, Фиг. 4. На Фиг. 4 - вид снизу. Наружный диаметр 0,03 м, внутренний 0,01 м. Трубы 54 из магниевых сплавов и приварены к фермам 1.
Кабина 2 длиной 4 м, шириной 2 м, высотой 2,5 м крепится к балке 4 с помощью кронштейнов и втулок, не показано. Такое соединение позволяет конструкции из ферм 1 вместе с двигателями 3 изменять угол наклона относительно кабины. Угол наклона изменяется от ноля до десяти градусов. Масса аппарата с грузом 400000 Н, масса переносимого груза 200000Н. Определим необходимую подъемную силу, Фиг. 2. У «летательного аппарата вертикального взлета» имеются внешние лопатки 25 в количестве 12 шт., вращаются по часовой стрелке, а внутренние лопатки 24, в количестве 12 шт., вращаются против часовой стрелки, если смотреть сверху летательного аппарата.
Это сделано для того, чтобы скомпенсировать момент вращения внешних лопаток 25 моментом вращающихся внутренних лопаток 24.
Частота вращения лопаток n=4,5 об/с
Угловая скорость ω=2π·n=6,28·4,5=28,26
Средняя линейная скорость лопаток 25
ср
υ=ω·R=28,26·6,5=183,7 м/с
Подъемная сила одной лопатки равна
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·33745,7·1/2=20669 Н
y
Где: C - коэффициент подъемной силы, p - плотность воздуха, v - средняя линейная скорость лопатки, S - площадь поверхности лопатки.
Подъемная сила, создаваемая лопатками 25 в количестве 12 шт., равна:
F=248028H.
Средняя линейная скорость лопаток 24 равна:
ср
υ=ω·R=28,26·5,2=146,9 м/с.
Подъемная сила одной лопатки 24 равна:
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·21594,9·1,5/2=19840 Н
Подъемная сила, создаваемая лопатками 24 в количестве 12 шт., равна:
F=238080 Н.
Подъемная сила, создаваемая всеми лопатками F=486108Н. Как мы видим, подъемной силы достаточно для подъема аппарата. Подъемная сила лопаток через колеса кареток передается двутавровым кольцам, а через кольца - фермам, фермы с помощью центральной трубы поднимают аппарат в воздух.
Движение вперед происходит при наклоне конструкции ферм к кабине и с помощью турбовинтовых двигателей.
Рассмотрим, почему у этой конструкции не надо менять угол атаки лопаток при движении аппарата вперед, например аппарат движется со скоростью 200 км/час, т.е. со скоростью 55,5 м/с.
На участке 90 градусов конструкции, Фиг. 2, линейная скорость лопатки 25 равна 183,7 м/с.
При движении аппарата вперед скорости суммируются, поэтому скорость лопатки 25 будет 239,2 м/с.
Найдем подъемную силу лопатки
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·57217·1/2=35045 Н
Линейная скорость лопатки 24 направлена против скорости движения аппарата, поэтому скорость лопатки 24 относительно воздуха будет равна разности скоростей лопатки и аппарата.
Скорость лопатки 24 будет равна 146,9-55,5=91,4 м/с
Подъемная сила лопатки 24 равна
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·8363·1,5/2=7683,5 Н
Сумма подъемных сил двух лопаток равна F=42728,5 Н.
На участке 270 градусов конструкции, Фиг. 2, скорость лопатки 25 направлена против скорости аппарата, поэтому скорость относительно воздуха будет равна 183,7-55,5=128,2 м/с.
Подъемная сила лопатки 25 равна
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·16435·1/2=10066 Н
Скорость лопатки 24 направлена навстречу потоку воздуха, поэтому скорость лопатки 24 будет 146,9+55,5=202,4 м/с.
Подъемная сила лопатки 24 равна
y
2
F=C·ρ·υ·S/2=1·1,225·40986·1,5/2=37656 Н
Сумма подъемных сил двух лопаток равна F=47722 Н.
Как мы видим, при движении аппарата вперед, происходит незначительный перекос в подъемных силах с разных сторон конструкции, что не повлияет на устойчивость аппарата.
В конструкции аппарата применяются магниевые сплавы.
Масса 12 ферм - 633 кг.
Масса кольца 38 двутавра - 183 кг.
Масса кольца 39 двутавра - 152 кг.
Масса кольца 40 двутавра - 129 кг.
Масса кольца 41 двутавра - 96 кг.
Масса 12 лопаток 25 с каретками - 360 кг.
Масса 12 лопаток 24 с каретками - 420 кг.
Масса несущей трубы 14 - 38 кг.
Масса металлических полос 22 и 23 - 150 кг.
Итого - 2161 кг.
Учитывая еще мелкие детали и более тонкие трубы, масса конструкции примерно будет 2500-2600 кг.
У вертолета устранена вибрация, повышена надежность конструкции.
При увеличении конструкции ферм можно увеличить подъемную массу аппарата до 100 тонн, а вес переносимого груза до 50 тонн.