РОТОРНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ КОРОТКОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предлагаемая полезная модель относится к авиационной технике, а именно, к винтокрылым летательным аппаратам короткого взлета и посадки с комбинированной несущей системой, включающей несущий ротор и крыло.
Уровень техники
Известен комбинированный самолет вертикального взлета и посадки винтокрылой схемы (патент России RU №2061625 C1, опубликовано 10.06.1996), содержащий фюзеляж, убирающийся в полете несущий ротор с колонкой, двигатель, высокорасположенное крыло, горизонтальное и вертикальное оперения и шасси. Он содержит трансмиссию с тормозом-стопором, обеспечивающим остановку и фиксацию несущего винта в положении, перпендикулярном направлению полета, и телескопическую колонку, обеспечивающую осевое перемещение вала несущего ротора, при этом его лопасти, смыкаясь с крылом, образуют единую аэродинамическую несущую поверхность.
К недостаткам этого летательного аппарата относятся:
- низкая надежность и сложность конструкции вследствие наличия выдвигаемого несущего ротора со сложной кинематикой и высоконагруженными элементами, наличия трансмиссии и привода выдвижения, механизмов уборки и фиксации лопастей в полете;
- низкая эффективность работы комбинированной несущей системы и безопасность полета на взлетно-посадочных режимах полета, из-за отрицательной взаимной интерференции при обтекании несущего ротора и близкорасположенного под ним крыла с широкой хордой;
- низкая безопасность на переходных режимах полета, в процессе уборки или выпуска лопастей ротора из крыла, вследствие отрицательного влияния лопастей ротора на обтекание верхней поверхности крыла, что может привести к срыву обтекания крыла и сваливанию аппарата в штопор.
Известен летательный аппарат (патент на полезную модель RU №84000, опубликовано 27.06.2009 г.), состоящий из корпуса, двигателя, крыльев, горизонтального несущего ротора для вертикального взлета и посадки, лопасти которого могут складываться в крылья и/или корпус летательного аппарата во время горизонтального полета, винта или сопла, обеспечивающих вместе с крыльями горизонтальный полет.
Недостатками данного устройства являются:
- сложность конструкции механизмов уборки - выпуска и фиксации лопастей несущего ротора в полете
- низкая эффективность работы комбинированной несущей системы и низкая безопасность полета на взлетно-посадочных режимах полета, из-за отрицательной взаимной интерференции при обтекании несущего ротора и близко расположенного крыла с широкой хордой.
- низкая безопасность на переходных режимах полета, в процессе уборки или выпуска лопастей ротора из крыла, вследствие отрицательного влияния лопастей ротора на обтекание верхней поверхности крыла, что может привести к срыву обтекания крыла и сваливанию аппарата в штопор.
В качестве прототипа выбран крылатый автожир фирмы «Картер-Коптер» (см. ежегодники «Jane”s all the world aircraft» 2000 г. стр.643). представляющий собой обтекаемый корпус-фюзеляж с толкающей винтовой силовой установкой, хвостовым вертикальным и горизонтальным оперением и несущей системой. Несущая система состоит из несущего ротора и крыла установленного на фюзеляже.
К недостаткам данного летательного аппарата относятся:
- низкая эффективность работы несущей системы и низкая безопасность полета на больших углах атаки при маневрировании и на взлетно-посадочных режимах полета, из-за отрицательной взаимной интерференции при обтекании несущего ротора и близко расположенного под ротором крыла с широкой хордой;
- трудность размещения на нижней поверхности низко расположенного крыла сельхозоборудования и других специальных подвесных агрегатов из-за опасности касания земли;
- в случае размещения на крыле сельхозоборудования для распыления химикатов, поверхности хвостового оперения будут подвергаться загрязнению, повышенной коррозии, обледенению (в весенний и осенний периоды), что повышает вероятность аварийных ситуаций в эксплуатации, снижает безопасность.
Раскрытие полезной модели
При разработке предлагаемой полезной модели была поставлена задача повышения безопасности эксплуатации и улучшение аэродинамических характеристик несущей системы на больших углах атаки и в крейсерском полете.
Технический результат заключается в снижении отрицательной взаимной интерференции крыла и лопастей несущего ротора за счет применения замкнутой системы крыльев большого удлинения, то есть относительно узких крыльев. Воздушный поток после обтекания крыльев, подходя к ротору, имеет меньшую неравномерность, что благоприятно отражается на обтекании лопастей несущего ротора и снижения вероятности появления срыва потока. Этот эффект особенно проявляется при полете на больших углах атаки, в наиболее опасных режимах полета.
Задача решается за счет того, что на роторном летательном аппарате, содержащем обтекаемый фюзеляж с хвостовым оперением, силовую установку для создания горизонтальной тяги, а также несущий ротор и крыло, крыло выполнено в виде замкнутых по концам тандемно расположенных стреловидных крыльев, переднее из которых закреплено в нижней части фюзеляжа, имеет прямую стреловидность и положительный угол V-образности, а заднее крыло, закрепленное в корневой части на вертикальном оперении, имеет обратную стреловидность и отрицательный угол V-образности.
Предлагаемый летательный аппарат характеризуется наличием замкнутых по концам тандемно расположенных стреловидных крыльев, что определяет их форму взаимосвязь и расположение. Применение тандемных стреловидных крыльев вместо одного позволяет использовать более узкие крылья, разнесенные в горизонтальной плоскости под ротором. Воздушный поток, проходящий через два узких удаленных друг от друга крыла и поступающий к ротору, будет иметь меньшую неравномерность, чем в случае, когда он проходит через одно широкое крыло, что снижает вероятность срыва потока на лопастях ротора и потерю его несущих свойств. Замыкание тандемных крыльев по концам обеспечивает повышение жесткости и прочности их конструкции, что позволяет использовать узкие крылья большого удлинения и повысить аэродинамическое качество несущей системы.
Кроме того, аппарат характеризуется формой и взаимным расположением его элементов, а именно: прямой стреловидностью и положительным углом V-образности переднего крыла, и обратной стреловидностью с отрицательным углом V-образности заднего крыла, причем закрепленного своей корневой частью на вертикальном оперении. Такая форма и взаимное расположение элементов - крыльев, обеспечивает возможность получения нужных свойств несущей системы летательного аппарата, повышающих его безопасность.
В частности, низкое расположение переднего крыла обеспечивает максимальное удаление его от плоскости вращения ротора и, соответственно, минимальное взаимное отрицательное влияние при обтекании.
Наличие положительного угла V-образности позволяет удалить консоли крыла с элеронами на безопасное расстояние от земли. Наличие отрицательного угла V-образности заднего крыла позволяет частично компенсировать возможную избыточность V-образности переднего крыла, а возможность варьирования при проектировании аппарата углами V-образности крыльев позволяет оптимизировать их значения для достижения необходимого уровня параметров собственной боковой устойчивости летательного аппарата, его управляемости и, соответственно, обеспечить высокую безопасность.
Таким образом, наличие элементов - переднего и заднего крыла определенной формы, их взаимное размещение, расположение относительно других элементов аппарата - несущего винта и фюзеляжа, а также взаимосвязь крыльев между собой и с фюзеляжем обеспечивает достижение технического результата, а именно: снижение отрицательной взаимной интерференции крыла и лопастей несущего винта, что благоприятно отражается на их обтекании в особенности при полете на больших углах атаки. Достижение такого технического результата позволяет решить задачу повышения безопасности летательного аппарата при полете на больших углах атаки и улучшить его аэродинамические характеристики в целом.
Кроме того, наличие конструктивной взаимосвязи крыльев с корпусом и между собой образующей пространственную замкнутую конструктивно-силовую схему, в которой плоскости хорд переднего и заднего крыльев разнесены по высоте в корневой части и пересекаются в концевой части крыльев, обеспечивает повышение жесткости, прочности и надежности конструкции и, соответственно, безопасности эксплуатации.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображен общий вид роторного летательного аппарата сбоку
На фигуре 2 изображен общий вид летательного аппарата сверху
На фигуре 3 изображен общий вид летательного аппарата спереди.
Роторный летательный аппарат состоит из обтекаемого фюзеляжа 1 с хвостовым оперением 2, несущего ротора автожирного типа 3, закрепленного на стойке 4 и тандемно расположенных замкнутых по концам крыльев. Переднее крыло 5 большого удлинения закреплено в нижней части фюзеляжа, имеет прямую стреловидность и положительный угол V-образности. Заднее крыло 6, также большого удлинения, закреплено в корневых частях на вертикальном оперении, имеет обратную стреловидность и отрицательный угол V-образности. На консолях переднего крыла размещены органы управления в виде элеронов 7. Хвостовое оперение оснащено рулями направления 8 и рулями высоты 9. Силовая установка с толкающим винтом 10 размещена на фюзеляже между передним и задним крыльями. Взлетно-посадочное устройство 11 может быть выполнено в виде колесного шасси. При использовании летательного аппарата в сельскохозяйственном варианте сельхозоборудывание с форсунками 12 для распрыскивания устанавливаются на заднем крыле 6.
Осуществление полезной модели
В исходном состоянии аппарат находится на земле. Благодаря наличию замкнутой системы крыльев, выполняющей роль ограждения, исключается случайный доступ обслуживающего персонала в зону вращающегося воздушного винта 10 силовой установки. Это повышает безопасность эксплуатации.
По мере разбега аппарата при взлете происходит самораскрутка несущего ротора 3 с быстрым увеличением подъемной силы на нем. Одновременно с набором скорости происходит рост подъемной силы на замкнутой системе крыльев.
При достижении скорости отрыва аппарат начинает набор высоты. За счет изменения угла тангажа летательного аппарата и угла наклона несущего ротора осуществляется оптимальное сочетание подъемных сил, создаваемых ротором и замкнутой системой крыльев. При коротком взлете и посадке полет выполняется на больших углах атаки, а при вертикальном снижении в режиме авторотации угол атаки может составлять 90°. При обтекании на этих режимах часть набегающего воздушного потока, проходя через переднее 5 и заднее 6 крылья, далее поступает на лопасти несущего ротора 3. После обтекания крыльев воздушный поток приобретает неравномерность, которая постепенно затухает по мере удаления от крыла Зона существенной неравномерности потока пропорциональна ширине каждого крыла. Поэтому, возникающая при обтекании узких крыльев неравномерность потока ослабевает, и в зоне плоскости вращения лопастей ротора поле скоростей потока успевает выравниться. Это снижает вероятность срыва потока на лопастях ротора, потерю его несущих свойств и повышает безопасность.
В крейсерском полете за счет подбора скорости полета и угла атаки устанавливается режим, при котором основная доля подъемной силы создается крыльями, а для несущего ротора создаются условия обтекания для поддержки его самовращения при минимальном коэффициенте сопротивления.
При таком режиме полета обеспечивается повышение крейсерской скорости аппарата, а также его аэродинамического качества.
Замкнутые по концам крылья воспринимают внешние нагрузки от массовых и аэродинамических сил и работают как единая рамная конструкция, что повышает прочность и жесткость конструкции. Это свойство компоновки летательного аппарата позволяет применить узкие крылья большого удлинения, и обеспечить повышение его аэродинамического качества.
Возможность применения крыльев большого удлинения с сохранением необходимой прочности и жесткости конструкции достигается также благодаря монолитности профиля крыла не имеющего механизации задней кромки. Необходимость механизации крыльев отсутствует, так как высокие взлетно-посадочные характеристики летательного аппарата, высокая маневренность на малых скоростях полета обеспечиваются наличием несущего ротора.
Управление летательным аппаратом по крену в полете на всех режимах обеспечивается за счет высокоэффективных элеронов 7, благодаря размещению их на относительно большом плече в крыле 5 большого удлинения.
Наличие в несущей системе заднего крыла с отрицательными углами стреловидности и V-образности позволяет при проектировании обеспечить необходимое соотношение степени поперечной и путевой устойчивости аппарата, что также повышает надежность и безопасность эксплуатации, особенно при полетах вблизи земли на взлете-посадке и при обработке сельхозугодий.
Возможен вариант исполнения с предварительной раскруткой несущего ротора от вспомогательной системы. В этом случае реализуется режим “прыжкового” взлета или взлета с предельно коротким разбегом 15-30 метров.
Заднее крыло может служить удобной платформой для размещения различного вида распылителей 12 химических веществ для выполнения сельхозработ.
Посадка летательного аппарата осуществляется в режимах, при которых основная доля подъемной силы создается вращающимся несущим винтом 3. За счет малой посадочной скорости до 35 км/ч, характерной для автожиров, возможен предельно короткий послепосадочный пробег.