СПОСОБ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЁТА/ПОСАДКИ И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПОЛЁТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ЛА) И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ (ЛА) ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR VERTICAL TAKEOFF/LANDING AND HORIZONTAL RECTILINEAR FLIGHT OF AN AERIAL VEHICLE (AV) AND AERIAL VEHICLE (AV) FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к летательным аппаратам вертикального взлета/посадки.
Из уровня техники известен многовинтовой тяжелый конвертовинтокрыл (см. патент Российской Федерации №2521121 на изобретение, опубл. 27.06.2014).
Конвентовинтокрыл выполнен в виде высокорасположенного моноплана, имеющего на консолях крыла винты в поворотных кольцевых каналах, фюзеляж с шарнирно установленными двумя силовыми балками ромбовидной в плане качалки, имеющей возможность отклонения ее балок в продольной плоскости и снабженной на противоположных ее вершинах несущими винтами на пилонах. Винты связаны валами трансмиссии с двигателями силовой установки, смонтированными в корневой части крыла. Винтокрыл имеет хвостовое оперение с цельноповоротным стабилизатором, трехстоечное убирающееся колесное шасси, крыло, выполненное в виде комбинации из двух с близким расположением друг к другу крыльев, смонтированных уступом. Переднее крыло выше заднего при отрицательной деградации первого ко второму по углу атаки. Межгондольные секции переднего и заднего крыльев снабжены предкрылком и закрылком и смонтированы так, что между задней кромкой переднего крыла и передней кромкой заднего крыла, имеющего 45% площади переднего крыла, располагается узкая щель, равная 2,5% хорды переднего крыла при расстоянии между средними линиями профиля переднего и заднего крыльев, равном 30% хорды заднего крыла.
Недостатками известного технического решения являются:
- необходимость разворота движителей;
- низкая надежность и управляемость;
- большие массогаборитные характеристики.
Из уровня техники известен способ полета с возможностью вертикального взлета и посадки (см. патент Российской Федерации №2566177 на изобретение, опубл. 27.06.2014).
Способ полета включает создание воздушного потока, направленного сверху вниз, соосными движителями с лопатками, вращающимися в противоположные стороны. Лопатки имеют возможность вращения вокруг своей продольной оси с изменением угла атаки. Путем изменения углов поворота лопаток движителей в период каждого оборота обеспечивают создание горизонтальной составляющей вектора тяги и стабилизацию полета. Горизонтальную тягу в режиме установившегося горизонтального полета создают реактивным движителем. Посредством поворота лопаток движителя до угла атаки 0° в режиме продолжительного горизонтального полета образуют замкнутую аэродинамическую поверхность-вращающееся крыло с возможностью создания подъемной силы. Движители соединены с двигателем через систему привод - редуктор. Лопатки движителя соединены с системой перекоса, гироскопом и системой управления.
Недостатками известного технического решения являются:
- низкая надежность и управляемость, поскольку для горизонтального полета установлен один по центру движитель;
- возможность только горизонтального прямолинейного полета;
- используется реактивный движитель, что приводит к ухудшению маневренности и экологичности.
Из уровня техники известны летательный аппарат и способ полета (см. международную публикацию заявки WO 2017198082 на изобретение, опубл. 08.05.2017).
Недостатками известного из уровня техники технического решения являются:
- необходимость изменения положения ЛА по горизонтали для прямолинейного полета;
- необходимость использования частично тяги подъемных движителей для создания силы толкающей ЛА вперед;
- низкий комфорт полета ЛА для пассажиров;
- низкая надежность.
Задачей заявленной группы изобретения является создание компактного, безопасного при взлете/посадки и полете ЛА с высокой маневренностью и управляемостью, а также повышенной скоростью полета.
Техническими результатами заявленной группы изобретений являются:
- снижение затрат энергии на горизонтальный прямолинейный полет;
- увеличение стабильности и комфорта полета;
- улучшение управляемости и маневренности полета;
- повышение экологичности;
- снижение лобового сопротивления при горизонтальном прямолинейном полете;
- увеличение тяги и скорости полета ЛА;
- увеличение безопасности взлета, полета и приземления ЛА;
- повышение отказоустойчивости с сохранением положения ЛА в полете;
- обеспечение защиты движителей от соударений с поверхностью земли и иными препятствиями во время полета;
- уменьшение габаритных размеров (увеличение компактности ЛА);
- возможность как горизонтального прямолинейного полета, так и вертикального взлета/посадки.
Технические результаты заявленной группы изобретений достигаются тем, что летательный аппарат (ЛА) для выполнения вертикального взлета/посадки и горизонтального прямолинейного полета содержит:
- передние и задние движители в окольцовке или группы передних и задних движителей в окольцовке - импеллеров для вертикального взлета/посадки, каждый из которых соединен с независимо работающим электродвигателем, установленных в равном количестве, на определенном расстоянии друг от друга, спереди и сзади ЛА по направлению движения ЛА в горизонтальной плоскости, противоположно и симметрично относительно друг друга и продольной оси ЛА, на несущей силовой платформе - раме, выполненной из труб, при этом лопатки каждого импеллера вращаются вокруг одной своей вертикальной оси;
- ходовой толкающий движитель в окольцовке - импеллер или группу ходовых толкающих движителей в окольцовке - импеллеров для горизонтального прямолинейного полета, каждый из которых соединен с независимо работающим электродвигателем, установленных на определенном расстоянии друг от друга в горизонтальной плоскости, перпендикулярной продольной оси ЛА, противоположно и симметрично относительно друг друга и продольной оси ЛА, при этом лопатки каждого импеллера вращаются вокруг одной своей горизонтальной оси.
В варианте выполнения ЛА, независимо работающие электродвигатели передних и задних импеллеров установлены на несущей силовой платформе - раме, выполненной из труб, в перехлесте образующих крест.
В вариантах выполнения ЛА, независимо работающие электродвигатели ходовых толкающих импеллеров установлены на одной общей несущей силовой платформе - раме в виде трубы и/или на двух отдельных несущих силовых платформах - рамах в виде труб, перпендикулярных продольной оси ЛА, слева и справа от борта ЛА.
В вариантах выполнения ЛА, количество передних и задних импеллеров может быть любым и одинаково спереди и сзади ЛА, а количество ходовых толкающих импеллеров может быть любым и одинаково слева и справа от борта ЛА.
Признаки и сущность заявленной группы изобретений поясняется в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами (см. фигуры 1 и 2), где показано следующее.
На фиг. 1 - ЛА (аналог).
На фиг. 2 - вариант конструкции заявленного ЛА вертикального взлета/посадки.
На фигурах 1 и 2 обозначено следующее:
1 - передние движители - несущие винты;
2 - задние движители - несущие винты;
3 - передние движители в окольцовке - импеллеры;
4 - задние движители в окольцовке - импеллеры;
5 - ходовые толкающие движители в окольцовке - импеллеры;
6 - несущая силовая платформа - рама, выполненная из труб, в перехлесте образующих крест, для установки электродвигателей несущих передних и задних импеллеров;
7 - несущая силовая платформа - рама, выполненная из трубы, для установки электродвигателей ходовых толкающих импеллеров.
Заявленный летательный аппарат (ЛА) вертикального взлета и посадки (см. фиг 2) содержит группы передних (3) и задних (4) движителей для вертикального взлета/посадки и группу ходовых толкающих движителей (5). В качестве передних (3), задних (4) и ходовых толкающих (5) движителей используются импеллеры - лопаточные машины, заключенные в замкнутое, закрытое по окружности кольцо (кожух, корпус).
На фиг. 2 представлен один из вариантов выполнения ЛА с двумя симметричными и противоположными относительно друг друга группами передних (3) импеллеров и двумя симметричными и противоположными относительно друг друга группами задних (4) импеллеров. Каждая из четырех групп (3, 4) содержит по четыре импеллера. Также ЛА содержит группы ходовых толкающих импеллеров (5) (по два импеллера слева и справа относительно борта ЛА соответственно).
Передние (3) и задние (4) импеллеры устанавливаются в равном количестве, на определенном расстоянии друг от друга, спереди и сзади ЛА, противоположно и симметрично относительно друг друга и продольной оси ЛА, на несущей силовой платформе - раме (6), выполненной из двух труб квадратного, круглого или прямоугольного сечения одинакового размера и длины, в перехлесте образующих крест. Каждый из передних (3) и задних (4) импеллеров соединен с независимо работающим электродвигателем, каждый из которых закрепляется своим неподвижным основанием на концевых участках труб несущей силовой платформы - рамы (6). Передние (3) и задние (4) импеллеры устанавливаются в горизонтальной плоскости и имеют вертикальную ось вращения лопаток.
Ходовые толкающие движители (5) - импеллеры устанавливаются в равном количестве с левого и правого борта ЛА, противоположно и симметрично относительно друг друга и продольной оси ЛА. Импеллеры (5) могут быть установлены как на одной общей несущей силовой платформе - раме (7) в виде трубы, перпендикулярной продольной оси ЛА (см. фиг. 2), так и на двух отдельных несущих силовых платформах - рамах в виде труб, перпендикулярных продольной оси ЛА, слева и справа относительно борта ЛА (на фиг. не показано). Каждый ходовой толкающий импеллер (5) соединен с независимо работающим электродвигателем, каждый из которых закрепляется своим неподвижным основанием на концевых участках труб несущей силовой платформы - рамы (7). Ходовые толкающие импеллеры (5) устанавливаются в горизонтальной плоскости, перпендикулярной продольной оси ЛА и имеют горизонтальную ось вращения лопаток.
На фиг. 2 показан один из вариантов выполнения ЛА, возможны также и другие варианты выполнения ЛА с другим количеством передних, задних и толкающих движителей - импеллеров (3, 4, 5). При этом, количество передних (3) и задних (4) импеллеров и импеллеров в группах одинаково. Количество толкающих ходовых импеллеров (5) с каждой боковой стороны ЛА одинаково.
Также возможен вариант выполнения ЛА только с одним ходовым толкающим движителем в окольцовке - импеллером (5), который устанавливается по центру задней части ЛА, на несущей силовой платформе - раме, перпендикулярной продольной оси ЛА таким образом, что лопатки импеллера (5) вращаются вокруг горизонтальной оси, параллельной продольной оси ЛА.
Известные из уровня техники ЛА осуществляют горизонтальный прямолинейный полет благодаря изменению угла тангажа (ЛА наклоняется вперед) (см. фиг 1). Угол меняется увеличением тяги на задние движители (2), тем самым меняется угол ЛА и появляется вектор тяги, двигающий ЛА вперед.
В заявленном ЛА для горизонтального прямолинейного движения не требуется менять угол тангажа, он остается в горизонтальной плоскости, тем самым, снижается лобовое сопротивление и увеличивается тяга и скорость полета ЛА. Это достигается благодаря установки одного дополнительного - вспмогательного ходового (толкающего) движителя в окольцовке - импеллера или группы дополнительных - вспомогательных ходовых (толкающих) движителей в окольцовке - импеллеров (5).
Поскольку для горизонтального прямолинейного движения используется не результирующая тяга вертикальная и горизонтальная задних движителей (2) (см. фиг. 1), а полностью тяга толкающего(их) движителя(ей) - импеллера(ов) (5), то снижаются затраты энергии на горизонтальный прямолинейный полет.
Улучшение управляемости и маневренности достигается путем изменения тяги на ходовых движителях (5): для поворота влево увеличивается тяга правого ходового движителя или тяга группы правых ходовых движителей в окольцовке - импеллеров (5), а для поворота вправо увеличивается тяга левого ходового движителя или тяга группы левых ходовых движителей в окольцовке - импеллеров (5). Тем самым, происходит отклонение ЛА по курсу и коррекция курса.
Регулируя скорость вращения лопаток импеллеров (3, 4, 5), независимо каждого по отдельности или одновременно каждого, с помощью независимо работающих электродвигателей, ЛА во время полета может выполнять различные действия (маневры) (например, поворачивать, зависать), а также достигать определенного баланса для обеспечения стабильности и комфорта полета.
Увеличение безопасности взлета/посадки и полета ЛА, и обеспечение защиты от соударений с поверхностью земли и иными препятствиями достигаются за счет использования в качестве движителей вместо открытых вращающихся лопастей (винтов, пропеллеров) - импеллеров (3, 4, 5) - лопаточных машин, работающих в закрытом (замкнутом) по окружности корпусе (трубе).
Повышение отказоустойчивости с сохранением положения ЛА в полете и безопасность полета обеспечиваются за счет дублирования ВМГ ЛА (устанавливается группа импеллеров (3, 4 и 5)).
Повышение экологичности ЛА достигается благодаря использованию электрических двигателей импеллеров (3, 4, 5).
Увеличение компактности ЛА (уменьшение габаритных показателей, площади ЛА) достигается за счет установки в качестве передних (3) и задних (4) движителей, а также в качестве ходового(ых) (толкающего(их)) движителя(ей) (5) вместо больших по размерам пропеллеров (винтов) - импеллеров (3, 4, 5) меньших размеров.
Использование импеллера(ов) (5) в качестве дополнительного(ых) вспомогательного(ых) толкающего(их) (ходового(ых)) движителя(ей) позволяет значительно увеличить тягу и скорость полета ЛА.
Заявленный ЛА для реализации заявленного способа компактен, безопасен при взлете/посадки и полете, выполнен с возможностью, как горизонтального прямолинейного полета, так и вертикального взлета/посадки, обладает высокой маневренностью и управляемостью, а также повышенной скоростью полета.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной группы изобретений, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной группы изобретений условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной группы изобретений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанные авторами технические результаты. Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Несмотря на то, что заявленная группа изобретений показана и описана со ссылкой на его определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию заявленной группы изобретений могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема заявленной группы изобретений, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и чертежей.