аппарат вертикального взлета и посадки

Формула изобретения

Аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий фюзеляж, скрепленный с ним движитель вертикальной тяги, состоящий из корпуса, выполненного из двух частей: верхней конической с двумя отверстиями в торцах, сверху меньшего диаметра, а снизу большего, и нижней дисковой, образующей с верхней частью зазор, верхняя и нижняя части корпуса жестко соединены между собой криволинейными лопатками, в нижней части корпуса установлена с возможностью вращения втулка рабочего колеса, лопатки которого размещены внутри конической части корпуса и выполнены с минимальным зазором относительно ее внутренней поверхности, а рабочие поверхности лопаток установлены перпендикулярно плоскости его вращения, двигатель, кинематически связанный с этим движителем, два движителя горизонтальной тяги, установленных по бокам фюзеляжа, каждый из которых выполнен в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между цилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцов корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых плоскостей, причем один из торцов имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса, и систему управления аппаратом, снабжен вторым двигателем, соединенным кинематически с движителем вертикальной тяги, рабочие колеса движителей горизонтальной тяги закреплены на общем валу, соединенном кинематически со вторым двигателем, корпусы движителей горизонтальной тяги установлены в фюзеляже с возможностью поворота, кинематическая связь движителя вертикальной тяги с обоими двигателями осуществлена посредством двух управляемых импульсных вариаторов скорости, а кинематическая связь второго двигателя с валом, на котором располагаются рабочие колеса движителей горизонтальной тяги - посредством третьего управляемого импульсного вариатора скорости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области вертолетостроения и может быть использовано для перемещения в воздушном пространстве аппаратов тяжелее воздуха.

Известно устройство для перемещения аппаратов в воздушном пространстве - вертолет (см. , например, Б.Н.Юрьев. "Аэродинамический расчет вертолетов". Оборонгиз, Москва, 1956 г.).

Основной недостаток этого устройства - большой диаметр несущего винта и наличие хвостового винта для парирования реактивного момента, создаваемого несущим винтом. Это усложняет его конструкцию.

Известен летательный аппарат вертикального взлета и посадки по патенту США 2944762, НКИ 244/12, 1960 г. Это устройство также имеет большой диаметр для создания необходимой тяги, что является его недостатком.

Известен аппарат по патенту США 3276723, 1966 г. Он содержит пропеллер в своей верхней части, который является движителем вертикальной тяги. Размещенный в фюзеляже один двигатель не дает гарантии безопасности полета в связи с возможностью его отказа.

Известен аэродинамический движитель, содержащий корпус, выполненный из двух частей: верхней конической с двумя отверстиями в торцах, сверху меньшего диаметра, а снизу большего, и нижней дисковой, образующей с верхней частью зазор, верхняя и нижняя части корпуса жестко соединены между собой криволинейными лопатками, в нижней части корпуса установлена с возможностью вращения втулка рабочего колеса, лопатки которого размещены внутри конической части корпуса и выполнены с минимальным зазором относительно ее внутренней поверхности, а рабочие поверхности лопаток установлены перпендикулярно плоскости его вращения (см. патент РФ на изобретение 2153442).

Известен гидроаэродинамический движитель, выполненный в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между цилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцев корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых плоскостей, причем один из торцев имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса.

Известен аппарат по патенту США 3915411, движитель вертикальной тяги которого состоит из рабочего колеса, выбрасывающего воздух в горизонтальном направлении. Этот воздух, обтекая снаружи конический фюзеляж, попадает в кольцевой проход фюзеляжа, отбрасывается вниз, создавая вертикальную тягу. По бокам фюзеляжа расположены воздушные винты, равноудаленные от центра. Они являются движителями горизонтальной тяги. Этот аппарат по своей технической сущности наиболее близок к предлагаемому (прототип). Каждый движитель вертикальной и горизонтальной тяги в прототипе приводится во вращение от своего двигателя, кинематически связанного редуктором с соответствующим движителем. Число оборотов всех движителей и соответственно тяга регулируются только числом оборотов двигателей (педаль "газа"). Необходимость частой перемены оборотов двигателей при управлении полетом приводит к уменьшению надежности и увеличивает вероятность отказа. Один двигатель вертикальной тяги не обеспечивает достаточную безопасность в связи с возможностью его отказа.

Указанные недостатки устраняются тем, что аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий фюзеляж, скрепленный с ним движитель вертикальной тяги, состоящий из корпуса, выполненного из двух частей: верхней конической с двумя отверстиями в торцах, сверху меньшего диаметра, а снизу большего, и нижней дисковой, образующей с верхней частью зазор, верхняя и нижняя части корпуса жестко соединены между собой криволинейными лопатками, в нижней части корпуса установлена с возможностью вращения втулка рабочего колеса, лопатки которого размещены внутри конической части корпуса и выполнены с минимальным зазором относительно ее внутренней поверхности, а рабочие поверхности лопаток установлены перпендикулярно плоскости его вращения, двигатель, кинематически связанный с этим движителем, два движителя горизонтальной тяги, установленных по бокам фюзеляжа, каждый из которых выполнен в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между цилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцев корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых плоскостей, причем один из торцев имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса, и систему управления аппаратом, снабжен вторым двигателем, соединенным кинематически с движителем вертикальной тяги, рабочие колеса движителей горизонтальной тяги закреплены на общем валу, соединенном кинематически с вторым двигателем, корпусы движителей горизонтальной тяги установлены в фюзеляже с возможностью поворота, кинематическая связь движителя вертикальной тяги с обоими двигателями осуществлена посредством двух управляемых импульсных вариаторов скорости, а кинематическая связь второго двигателя с валом, на котором располагаются рабочие колеса движителей горизонтальной тяги, - посредством третьего управляемого импульсного вариатора скорости.

Такое выполнение аппарата позволяет эксплуатировать двигатели в относительно постоянном номинальном режиме, что увеличивает их надежность. Наличие двух двигателей позволяет осуществить посадку аппарата даже в случае отказа одного из них. Это повышает безопасность аппарата.

Управляемые импульсные вариаторы скорости, которые предлагается использовать в данном предложении, известны из современного уровня техники (см. , например, авт. св. на изобретения СССР 682696, 1237838 того же автора). Вариатор содержит корпус и выходной вал с фланцем, на торцах которых выполнены кольцевые пазы, ведущий составной кривошип переменного радиуса, размещенный в подшипниках корпуса, установленный на кривошипе с возможностью вращения сателлит с пальцами, взаимодействующими с рычагами, выступы которых, выполненные с взаимнообратными скосами, входят с одной стороны в кольцевой паз корпуса, а другой - в кольцевой паз фланца выходного вала. На составном кривошипе установлены два зубчатых колеса, которые сцепляются с двумя зубчатыми колесами управляющего механизма, представляющего собой редуктор Джемса с поворотной коронной шестерней, от угла поворота которой зависит угловая скорость вариатора. Входной вал регулирующего механизма соединен кинематически с двигателем. При работающем двигателе поворотом коронной шестерни можно получить ту или иную угловую скорость вариатора, в том числе и нулевую.

Вариатор обладает свойством муфты обгона (см. первичные материалы заявки на изобретение СССР 2413752/25-28, авт. св. 628366, авт. св. 445779).

Таким образом управляемый вариатор совмещает в себе свойства редуктора, муфты сцепления и муфты свободного хода. Если движители соединить (через редукторы или напрямую) с двигателями, то такое соединение потребует дополнительно муфт сцепления, муфт свободного хода и переключающих муфт, которые позволили бы плавно подключать и переключать движители к двигателям (см. цитированную выше книгу Б.Н. Юрьева, стр.115). Вариатор же позволяет не только плавно подключать двигатель к движителю, но и бесступенчато регулировать скорость вращения движителей, тем самым и их тягу. При этом двигатели работают в постоянном режиме.

На фиг.1 дана схема предлагаемого аппарата (продольный разрез).

На фиг.2 - вид сверху.

На фиг.3 - вид сбоку.

На фиг. 4 дано сечение А-А - вид на развертку по диаметру ряда криволинейных лопаток в увеличенном масштабе.

На фиг.5 - вид сбоку на криволинейные лопатки.

На фиг.6 дана схема компоновки и соединений моторов, вариаторов и валов движителей (продольный разрез).

На фиг.7 - то же (вид сверху).

Аппарат состоит из фюзеляжа 1, движителя вертикальной тяги 2, корпус которого состоит из верхней конической части и нижней дисковой части, жестко скрепленных между собой криволинейными лопатками 3, равнорасположенными по окружности между конусами. В дисковой части 4 движителя установлен с возможностью вращения вал 5. Рабочее колесо 6 движителя закреплено на валу 5. На нем же установлено коническое колесо 7, сцепляемое одновременно с двумя коническими колесами 8, установленными на выходных валах двух вариаторов 9 и 10 (В 1 и В2). Вариаторы 9 и 10 имеют входные валы, на которых жестко установлены зубчатые колеса 11 и 12, сцепленные с зубчатыми колесами 13 и 14, установленными на выходных валах моторов 15 и 16, которые закреплены в нижней части фюзеляжа 1.

Боковая часть 17 фюзеляжа выполнена в виде конуса, обратного конусу движителя. Этот конус имеет два взаимнопротивоположных выема 18. В этом месте на фюзеляже установлены движители горизонтальной тяги 19, корпусы которых установлены в фюзеляже с возможностью поворота.

Движители 19 соединены между собой общим валом 20 (рабочие колеса этих движителей жестко закреплены на общем валу 20). На валу 20 закреплено коническое зубчатое колесо 21, сцепленное с зубчатым колесом 22, установленным на выходном валу третьего вариатора 23 (В3), входной вал которого соединен с выходом двигателя 16 с помощью зубчатых колес 24, 12 и 14.

Все вариаторы снабжены регулирующими механизмами, известными из современного уровня техники. Рукоятки 25, показанные на фиг.6 и 7, являются управляющими органами регуляторов импульсивных вариаторов.

Криволинейные лопатки 3 снабжены шарнирно прикрепленными к ним поворотными планками 26.

Эти планки могут поворачиваться на угол приблизительно 20^o от вертикали.

Каждый движитель 19 снабжен направляющим кожухом 27, который обеспечивает забор воздуха движителем при больших скоростях горизонтального полета.

Две связанные жестко между собой пластины 28 позволяют осуществлять управление аппаратом по тангажу, две пластины 29 - по крену. Выдвижение одной из них (другая убирается вовнутрь) препятствует выходу воздуха в этом месте и уменьшает местную подъемную силу, в результате чего аппарат наклоняется.

Аппарат работает следующим образом. Устанавливают все рукоятки 25 вариаторов 9, 10 и 23 в положении "0". Это означает, что если входы вариаторов вращаются, то на выходах угловая скорость равна нулю. Включают оба двигателя 15 и 16. Рукояткой 25 вариатора 9 плавно увеличивают обороты движителя 2 и начинают вертикальный подъем, поскольку криволинейные лопатки 3 выпрямляют вытекающий из движителя 2 поток и вращательные моменты отсутствуют.

Одновременно рукояткой 25 вариатора 23 плавно увеличивают обороты движителей 19 горизонтальной тяги, чем сообщают аппарату горизонтальную скорость. Педалями "газа" обоих двигателей изменяют мощность и обороты двигателей, а рукоятками вариаторов регулируют обороты движителей и тягу. При необходимости поворота аппарата вокруг вертикальной оси разворачивают корпусы движителей горизонтальной тяги 19 во взаимно обратных направлениях, тем самым создавая вращающий момент относительно вертикальной оси.

Для поворота аппарата также служат поворотные планки 26, шарнирно укрепленные на концах криволинейных лопаток 3, которые могут поворачивать выходящий из движителя 2 поток, и тем самым поворачивают аппарат вокруг вертикальной оси.

При работе двух двигателей M1 и М2 одновременно вариатор В2 отключается, т. е. рукоятка 25 вариатора В2 должна стоять на "нуле". В силу обгонных свойств импульсивных вариаторов (они обладают свойством муфты обгона) принудительное вращение выходного вала вариатора В2 происходит беспрепятственно и не передается на вход вариатора. Мотор М2 через вариатор В3 передает вращение на движители 19, если рукоятка вариатора В3 не стоит на "нуле".

В случае отказа мотора M1 устанавливают ручку вариатора В3 на "ноль" (если имеется дефицит мощности), рукоятку вариатора В1 - на "ноль", а рукояткой вариатора В2 выводят движитель 2 вертикальной тяги в режим плавного снижения аппарата. Если есть запас мощности, то при этом возможна работа движителей горизонтального перемещения 19 для проведения маневровых операций аппарата. При этом обороты движителей регулируются рукояткой вариатора В3.

В случае отказа мотора М2 горизонтальная тяга невозможна, но плавное снижение аппарата производится с помощью мотора M1, а разворот аппарата вокруг вертикальной оси - поворотом планок 26. Т.к. отказ двух двигателей одновременно маловероятен, то возможность использования второго двигателя для аварийного приземления повышает безопасность аппарата.

Использование вариаторов позволяет осуществлять плавное включение и выключение движителей, не пользуясь педалями "газа" двигателей. Это обеспечивает работу двигателей в постоянном режиме, что повышает их надежность.

Предлагаемая конструкция имеет меньшие габариты (по диаметру в плане) по сравнению с конструкциями с тяговыми воздушными винтами. Она позволяет отказаться от хвостового винта, его трансмиссии, от таких устройств как автомат-перекос, шарнирный подвес лопастей. Тем самым конструкция аппарата упрощается, что ведет к повышению его безопасности.