ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ
VERTICAL TAKEOFF AND LANDING AIRCRAFT

Летательный аппарат вертикального взлета и посадки предназначен для перевозки пассажиров и грузов.
Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано в качестве средства для доставки грузов и пассажиров с неподготовленных площадок ограниченного размера, а также для доставки или эвакуации людей через оконные проемы в зданиях и сооружениях на любом этаже.
Известен способ перевозки грузов и пассажиров с неподготовленных площадок ограниченного размера, но имеющих уклон не более 3°÷5° к горизонту с помощью вертолетов или конвертопланов, например вертолет производства РФ типа Ми-8 или конвертоплан производства США V-22 "Оспри" (С.Мицкевич. Результаты войсковых испытаний транспортно десантного самолета V-22 "Оспри". - «Зарубежное военное обозрение», 2011,  №11(656), стр 33-38).
Недостатком и вертолета, и конвертоплана является невозможность причаливания в вертикальной стенке из-за опасности касания лопастями за препятствие. Также вертолеты и конвертопланы не приспособлены к посадке на наклонные поверхности с уклоном более 3°÷5° к горизонту. Общим недостатком и вертолета, и конвертоплана в области безопасности полета является катастрофическое развитие ситуации при поломке хотя бы одной из лопастей несущего или рулевого винтов. Для конвертоплана катастрофическое развитие ситуации происходит также при отказе механизма поворота хотя бы одной винтомоторной группы при переходе из горизонтального полета к режиму вертикального снижения. Из-за большого диаметра лопастей конвертоплан не способен выполнить посадку по-самолетному.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является проект производства США конвертоплан V-22 "Оспри". Конвертоплан объединяет полезные свойства вертолета и самолета, а именно возможность вертикального взлета и посадки и высокую крейсерскую скорость горизонтального полета с увеличенной дальностью полета. Описанный способ принят за прототип изобретения.
Работоспособность конвертоплана обеспечивается поворотом винтомоторных групп правого и левого двигателей на 90° относительно горизонта, для перехода с вертикального набора высоты к горизонтальному полету, и наоборот. Поворот винтомоторных групп изменяет направление вектора тяги с вертикального на горизонтальное.
Недостатки прототипа: невозможность обеспечить безопасность полета при отказе (поломки) хотя бы одной из лопастей, в результате ситуации происходит не только сильная вибрация конструкции из-за несбалансированности вращающихся лопастей, но и несимметрия тяги, которая вызывает опрокидывание конвертоплана относительно продольной оси X на режимах вертикального полета и некомпенсируемый разворот относительно вертикальной оси У. Эти недостатки обусловлены конструкцией планера с разнесенными по концам консолей крыла двигателями и винтами увеличенного диаметра. В случае отказа в горизонтальном полете механизма поворота винтомоторных силовых установок посадка по-самолетному невозможна, так как примерно на высоте 1,5-2 метра концы лопастей заденут о землю с последующим катастрофическим развитием ситуации.
Технической задачей изобретения является исключение несбалансированности тяги винтомоторных групп двух двигателей при отказе любого из элементов силового привода (двигателя) или трансмиссии.
Поставленная задача решается следующим образом. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержащий корпус, силовую установку, подъемно-маршевые винты, создающие вертикальную тягу на взлете, отличающийся тем, что силовая установка в составе двух двигателей размещается в законцовках правой и левой балок фюзеляжа, каждый двигатель имеет независимую трансмиссию в составе угловых редукторов и валов передачи крутящего момента на две пары соосных подъемно-маршевых винтов, которые расположены продольно в районе центра тяжести фюзеляжа и могут создавать вертикальную тягу, превышающую вес аппарата, причем ось вращения передней пары соосных винтов наклонена вперед под углом -15° относительно вертикальной плоскости YOZ, ось вращения задней пары соосных винтов расположена с отклонением назад под углом +15° от горизонтальной плоскости XOZ и создает вертикальную тягу с помощью поворотных створок, которые способны направлять поток воздуха от задней пары соосных винтов или вдоль оси вращения, или под углом 75° к оси вращения, т.е. вертикально вниз.
В состав трансмиссии винтомоторной группы каждого двигателя входят муфты сцепления известной конструкции, которые позволяют отключать отказавший двигатель или отказавшую пару винтов.
Передняя пара винтов в горизонтальном полете закрывается створками.
На законцовках стабилизатора расположены поворотные рулевые винты в кольцевых насадках, которые обеспечивают управляемость аппарата на режимах вертикального и горизонтального полета.
Консоли крыльев навешиваются шарнирно относительно пространственно-ориентированных осей и в сложенном состоянии уменьшают габариты аппарата на стоянке, в выпущенном состоянии создают подъемную силу в горизонтальном полете, в отклоненном вниз состоянии выполняют функцию безопасно деформируемого амортизатора при аварийной посадке.
В плоскости симметрии головной части фюзеляжа установлена выдвижная секция, которая может выдвигаться вперед примерно на 2000 мм и снабжена в передней части откидной крышкой.
Конструкция летательного аппарата вертикального взлета и посадки (ЛАВВП) состоит из фюзеляжа (поз. 1, фиг. 1), в головной части которого размещаются кабины экипажа (поз. 2, фиг. 1) справа и слева, между ними расположена выдвижная секция трубы (поз. 3, фиг. 1 и фиг. 8), на конце которой установлена откидная крышка (поз. 4, фиг. 1 и фиг. 8), секция имеет возможность выдвигаться вперед примерно на 2 метра, за кабинами экипажа расположен                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        отсек полезной нагрузки. За отсеком полезной нагрузки фюзеляж разделяется на две хвостовые балки (поз. 5, фиг. 1), которые проходят вдоль внешних бортов фюзеляжа. Между балками сразу за отсеком полезной нагрузки размещены подъемно-маршевые соосные винты (поз. 6 и поз. 7, фиг. 1), причем задняя пара соосных винтов установлена в наклонном кольцевом канале (поз. 8, фиг. 1 и фиг. 8), за которым установлены поворотные створки (поз. 9, фиг. 1 и фиг. 8), с помощью которых поток воздуха от винтов может быть отклонен вертикально вниз. В оконечностях хвостовых балок размещены подъемно-маршевые двигатели (поз. 10, фиг. 1 и фиг. 8). Трансмиссия двигателей состоит из системы валов (поз. 11, фиг. 2), четырех муфт сцепления (поз. 12, фиг. 2) известной конструкции, двух раздаточных (поз. 13) и четырех угловых редукторов (поз. 14), с помощью которых вращение передается на редукторы во втулках винтов (поз. 15, фиг. 2). Система муфт сцепления обеспечивает несколько режимов работы винтомоторной группы: а) оба двигателя работают на привод обоих пар винтов; б) один двигатель работает на привод обоих пар винтов; в) два двигателя работают на привод передней или задней пары винтов; г) один двигатель работает на привод передней или задней пары винтов. Муфты сцепления обеспечивают отключение отказавшего двигателя или отказавшей пары соосных винтов. Двухкилевое вертикальное оперение (поз. 16, фиг. 1) установлено на конце хвостовых балок и сверху соединено плоскостью стабилизатора (поз. 17, фиг. 1), на концевых хордах которого установлены рулевые поворотные винты в кольцевых каналах (поз. 18, фиг. 1). Консоли крыла (поз. 19, фиг. 1) закреплены шарнирно относительно пространственно-ориентированных осей в средней части фюзеляжа и могут занимать три основных положения: а) консоли убраны вдоль фюзеляжа, б) консоли установлены в полетное положение, в) консоли отклонены вниз.
Передние подъемные винты в горизонтальном полете и на стоянке закрыты поворотными створками (поз. 20, фиг. 1).
Сущность изобретения сводится к применению принципиально нового компоновочного решения при размещении подъемно-маршевых винтов в районе центра тяжести ЛАВВП, использованию для управления специальных винтов в кольцевых каналах, которые разнесены на максимально большое расстояние от центра тяжести, тем самым обеспечивается максимальное плечо силы. Кольцевые каналы повышают эффективность винтов, а также предохраняют их от механических повреждений при контакте с препятствием. Рулевые винты, разнесенные по оконечностям стабилизатора, полностью обеспечивают управление по всем трем осям как в горизонтальном, так и в вертикальном полете. Так как основная тяга подъемно-маршевых двигателей создается винтами, оси которых лежат в плоскости симметрии аппарата, то при отказе одного из винтов не происходит разбалансировки по крену, разбалансировка по тангажу компенсируется отклонением рулевых винтов. Отказ одного из двигателей не влияет на балансировку аппарата, так как мощность оставшегося двигателя передается на все винты. Поворотные консоли крыла позволяют уменьшить габариты места стоянки, консоли, отклоненные вниз, выполняют функцию безопасно деформируемого амортизатора при аварийной посадке. Так как лопасти несущих и рулевых винтов максимально защищены конструкцией от ударов за наземные препятствия, появляется возможность максимально приблизить аппарат, например к вертикальной стене, вплоть до касания, что обеспечивает возможность в режиме вертикального висения эвакуировать людей из верхних этажей зданий или сооружений.
Конструкция работает следующим образом. ЛАВВП в положении "на стоянке" имеет конфигурацию согласно фиг. 9: консоли развернуты вдоль бортов, створки передней пары подъемных двигателей закрыты. Для выполнения вертикального взлета консоли развернуты поперек бортов, створки передней пары подъемных двигателей открыты, оси рулевых двигателей вертикальны согласно фиг. 1. Управление по тангажу осуществляется либо изменением режима работы передней или задней пары подъемно-маршевых винтов, либо одновременным изменением режима работы рулевых винтов (изменение угла атаки лопастей), за счет чего изменяется вертикальная тяга, управление по крену за счет разности режимов работы правого и левого рулевого винта, за счет чего появляется разница подъемной силы правого и левого рулевого винта, управление по рысканью за счет разнонаправленного отклонения оси вращения рулевых винтов. Для перехода от режима вертикального подъема к горизонтальному полету ЛАВВП занимает небольшой отрицательный угол тангажа и начинает набирать скорость, используя горизонтальную составляющую тяги подъемно-разгонных двигателей. По мере набора скорости створки передней пары двигателей начинают закрываться, а створки задней пары занимают положение параллельно оси вращения задних винтов, рулевые двигатели также поворачиваются вдоль потока согласно фиг. 4. При переходе в горизонтальный полет створки передней пары закрыты, створки задней - вдоль оси вращения, рулевые винты в кольцевых каналах при одностороннем отклонении управляют траекторией по тангажу, при отклонении в разные стороны управляют по крену, изменением режима работы одного из рулевых винтов (изменение угла атаки лопастей) происходит управление по рысканью. При подлете к проему окна выдвигается секция трубы (поз. 3, фиг. 1 и фиг. 8) и проникает внутрь задания на расстояние, необходимое для того, чтобы откинуть переднюю крышку (поз. 4, фиг. 1 и фиг. 8), после чего люди могут переместиться по трубе в отсек полезной нагрузки ЛАВВП (фиг. 5 и фиг. 6), при заполнении отсека крышка (поз. 4, фиг. 1) закрывается, конвертоплан удаляется от стены и производит вертикальную посадку в безопасном месте.
Техническим результатом является получение летательного аппарата вертикального взлета и посадки, который при одинаковой полезной нагрузке и одинаковом запасе топлива по сравнению с вертолетом, а также и одинаковых двигателях позволяет доставлять груз с вдвое большей скоростью на вдвое большее расстояние. Но при этом имеет существенно более простую конструкцию за счет отказа от вертолетной винтомоторной группы (редуктор, втулка винта, узлы крепления лопастей, трансмиссия). Техническим результатом также является повышение безопасности полета, так как при отказе двигателя на взлете или посадке на вертикальном участке траектории возможна мягкая посадка на безопасно деформируемые консоли крыла. При отказе двигателя в крейсерском полете конвертоплан имеет возможность посадки "по-самолетному" на обычный аэродром, при отказе двигателя на режиме вертикального взлета или посадки ЛАВВП приземляется вертикально с превышением допустимой вертикальной скорости, но при этом консоли крыла поворачиваются в вертикальное положение и выполняют функцию безопасно деформируемого амортизатора согласно фиг. 7.
Изобретение позволяет существенно снизить издержки на эксплуатацию на линиях, на которых сейчас используются вертолеты. Кроме того, появляется принципиально новое качество ЛАВВП для работы вдоль вертикальных построек в непосредственной близости от них (фиг. 5 и фиг. 6).