ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ "ШОТА" СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ВИНТОМ Российский патент 1994 года по МПК B64B1/20 B64C11/28 B64C27/46 

Изобретение относится к авиации и может быть использовано при проектировании самолетов с вертикальным взлетом и посадкой.

Известен самолет с вертикальным взлетом и посадкой с фюзеляжем, с пассажирским салоном, с жестко закрепленными крыльями и с силовыми установками с изменяемым вектором тяги на концах [1].

Известен летательный аппарат, содержащий аэростатический корпус, крылья, силовые установки изменяемого вектора тяги и грузовой отсек расположенный внутри корпуса [2].

Известен также винт с лопастями изменяемой длины, лопасти которого выполнены из внутренней и наружной частей. Внутренняя часть выполнена относительно неподвижной, в виде трубы овального сечения. Наружная часть (подвижная) имеет аэродинамическую поверхность и надета на неподвижную с возможностью продольного перемещения при помощи пары винт-гайка размещенной внутри лопасти [3].

Недостатком известного летательного аппарата является сложность конструкции, неудобство погрузочно-разгрузочных работ, малый КПД винтов на режимах взлета-посадки. Винт, приспособленный к несущему режиму на взлете-посадке, является малонагруженным в горизонтальном полете, что снижает летно-технические характеристики аппарата.

Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах полета.

Это достигается тем, что летательный аппарат со специальным винтом выполнен по схеме среднеплан с аэростатическим корпусом, механизированными крыльями, хвостовым оперением и содержит шасси, силовые установки с воздушными винтами и средством изменения вектора тяги и систему управления, а также устройство, обеспечивающее его устойчивость в полете, и подвесной, управляемый в плоскости симметрии аппарата грузовой отсек.

Летательный аппарат снабжен специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом и переменными диаметром и круткой лопастей, при этом устройство, обеспечивающее устойчивость в полете, размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и содержит рельс, изогнутый по дуге окружности с центром вблизи к центру масс летательного аппарата, а также катки со средством торможения, взаимодействующие с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного грузового контейнера.

Каждая из лопастей специального воздушного винта выполнена из внутренней и наружной частей, телескопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим, снабжена ходовым винтом с гайкой и механизмом изменения диаметра и крутки лопасти, наружная часть лопасти снабжена лонжероном овального сечения с жестким концевым обтекателем и подвижным на подшипниках, охватывающей лонжерон упруго деформируемой при кручении обшивкой, подкрепленной нервюрами и стрингерами и заполненной упруго деформируемым наполнителем в виде губчатой резины или пенопласта, а механизм изменения крутки лопасти содержит зубчатую рейку, выполненную вдоль задней кромки внутренней части лопасти и зубчатые передачи, включающие зубчатые секторы и редукторы, установленные на лонжероне наружной части лопасти и взаимодействующие с рейкой и зубчатыми секторами, установленными на нервюрах и взаимодейст- вующими с выходными шестернями редукторов. Направляющие между внутренней частью лопасти и лонжероном наружной части лопасти выполнены в виде Т-образной пары у передней кромки внутренней части лопасти и в виде скобы, выполнены по задней кромке лонжерона наружной части, обеспечивающих продольное перемещение. Подшипники между направляющими корпуса и лонжероном овального сечения выполнены в виде двух пар секторов колец подшипников разного диаметра, соответствующих малой и большой оси овала, при этом подшипниковые пары секторов имеют Т-образный профиль и свободу перемещения по дуге в пределах изменения крутки лопасти. Внутренняя часть лопасти направляющие обоих ее частей и лонжерон выполнены с аэродинамической круткой.

Механизм крутки лопаcти включает cвязанный c cиcтемой управления зубчатый cектор, подвижно уcтановленный на комле лопаcти и взаимодейcтвующий c cиcтемой зубчатых передач зубчатой рейкой, редуктором и зубчатыми cекторами нервюр, обеcпечивающими управление круткой лопаcти, при этом рейка и зубчатые передачи выполнены коcозубыми.

Выполнение указанных уcловий обеcпечивает упрощение конcтрукции, повышение KПД cиловой уcтановки и летно-техничеcких характериcтик летательного аппарата на вcех режимах полета.

На фиг.1 показан летательный аппарат; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - специальный винт, вид сбоку при Д_мин; на фиг.4 - то же, вид сверху (кинематика механизма); на фиг.5 - винт при Д_макс; на фиг.6 - винт при Д_макс, вид сверху; на фиг.7 - сечение Б-Б на фиг.6; на фиг.8 - сечение В-В на фиг.6; на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг.6; на фиг.10 - лопасть, вид сверху (кинематическая схема механизма изменения крутки лопасти); на фиг.11 - сечение Д-Д на фиг.10; на фиг.12 - сечение Е-Е на фиг.10; на фиг.13 - сечение Ж-Ж на фиг.10; на фиг.14 - кинематическая схема шарнирного крепления лопасти к втулке винта; на фиг.15 - схема размещения ходового винта в концевой части лопасти; на фиг.16 - то же, вид сверху; на фиг.17 - сечение И-И на фиг.16.

В состав летательного аппарата входит аэростатический корпус 1 (фиг.1), наполненный гелием или горячим газом, киль 2, стабилизатор 3 с рулями управления, механизированные крылья 4, схемы "среднеплан", заделанные в корпус лонжероном 5, гондола 6, шасси 7, сменный контейнер 8, подвешенный катками 9 к Т-образному рельсу (фиг.2) или к двум таким параллельным рельсам 19. Катки выполнены тандем. Причем рельсы согнуты по окружности с центром вблизи центра масс летательного аппарата. Контейнер выполнен так, что его передняя часть размещена в обтекателе 11, выполненном в задней части кабины, и может свободно перемещаться. На обтекаемых консолях 12 выполнены поворотные маршевые двигатели, силовые установки 13 на цапфах 14 с механизмом поворота с зубчатым сектором 15, редуктором 16 с приводом 17 и специальным винтом 18.

На взлете-посадке винт имеет Д_макс (положение "а") и Д_мин (положение "б") в горизонтальном полете. Специальный винт содержит лопасть 19 (фиг.1 и 2), втулку 20, полую цапфу 21, сферический подшипник 22, на котором выполнена относительно неподвижная часть (внутренняя "в") 23 лопасти, сплюснутая в конце лопасти (фиг.4) с направляющими: передними 24 и задними 25, на которых подвижно вдоль лопасти посажен лонжерон 26, сплюснутый (г) в конце лопасти, с Т-образными салазками 27 в передней части и со скобой 28 - в задней части, на концевом обтекателе 29 с выполненной в нем трубой 30, сплюснутой (д) и с вырезоме (фиг. 16) в стыке с концевым обтекателем, раздвоенной в конце лопасти, переходящей в две трубы или две части 31 и 32 этой трубы (фиг. 17) с целью уменьшения высоты профиля (толщины) в конце лопасти (фиг. 15) из соображений аэродинамики при данном диаметре ходового винта. Подвижная часть лопасти в положении наибольшего диаметра базируется на неподвижной части усиленными элементами l и l′ (фиг.4), плотно подогнанными между собой.

Наибольшую длину раздвигания лопасти можно обеспечить при наименьшей заделке L, l (фиг.6). Посадка части лопасти впереди при помощи Т-образного профиля обеспечивает не только хорошую работу при плоском изгибе, но и наименьшую длину заделки, а также жесткость соединения без заедания и заклинивания при наибольшем диаметре. Нормальной работе лопасти способствует также П-образный профиль в задней части с базой L (фиг.6) при работе на кручение. На конце трубы выполнена гайка 33, надетая на винт 34, соединенный шарнирной муфтой 35 (например, зубчатой) с валиком 36 привода механизма изменения диаметра винта с коническими шестернями 37 и 38. Центробежные нагрузки, возникающие в подвижной части, воспринимаются ходовым винтом и передаются на втулку винта посредством сферического подшипника 39. Корпус подвижной части лопасти выполнен упругодеформируемым, аэродинамические формы которого обеспечиваются набором нервюр: полного профиля 40 и ложных 41 (фрагменты нервюр) и продольных элементов жесткости (стрингеров) 43. Материал заполнения наружной части лопасти - губчатая резина, пенопласт или какие-либо специальные материалы. Корпус лопасти обтянут обшивкой, материал которой обеспечивает восстановление геометрических форм после снятия нагрузок. Упругодеформируемый корпус армирован жесткими элементами и посажен на лонжерон наружной части и взаимодействует с последним посредством башмаков 44 и направляющих 45 (фиг.10) в плоскости лопасти и 46,47 - по вертикали, выполненных в виде дужек с центром кривизны в оси жесткости лопасти совпадающей с осью ходового винта. Сочленение башмаков с направляющими может быть в разном выполнении: плоско-цилиндрическое, как сектора пар скольжения или сложного профиля, например Т-образного сечения, работающего на отрыв. Такое выполнение обеспечивает жесткость корпуса, что особенно важно иметь в концевой части лопасти, где высота профиля ниже.

Свободное перемещение подвижной части лопасти и деталей механизма внутри лопасти обеспечивается специальными окнами и пустотами 48 (фиг.12). Защитный кожух 49 может быть заменен телеско- пическими секциями или раздвижными щитками, какие применяются, например, в станкостроении для защиты направляющих. Изменение крутки лопасти производится либо при перемещении наружной части по внутренней, либо независимо от этого в горизонтальном полете при постоянном диаметре винта (условная линия на фиг.10). Так как косозубый сектор 51 зафиксирован на втулке в неподвижном положении рычагом 52 и зацеплен с шестерней 53, а последняя - с шестерней 54, в свою очередь зацепленной с шестерней 55, с муфтой 57, а та - с шестерней 58 с необходимой редукцией, а последние с зубчатыми секторами 59, сидящими на нервюрах, крутка лопасти меняется в зависимости от положения рычага 60 управления углом установки лопасти, зависящим от скорости полета. Когда же подвижную часть лопасти отодвигают вдоль неподвижной части (основная линия фиг.10), шестерня 54 выходит из зацепления с шестерней 53 и входит в зацепление с зубчатой рейкой 61, после чего крутка лопасти зависит от положения подвижной части на неподвижной.

Аппарат работает следующим образом:
В исходном положении на земле летательный аппарат стоит на шасси 7 так, что контейнер 8 можно снять катками 9 с Т-образных направляющих и из обтекателя 11 кабины 6 перемещением его назад по полету, причем корпус 1, наполненный легким газом, находится во взвешенном положении либо опирается на шасси не со всей тяжестью.

Взлет осуществляется винтами 18, находящимися в положении "а", когда вектор тяги направлен вверх. После достижения расчетной высоты полета силовая установка каждого крыла вместе с крыльями одновременно поворачивается в цапфах 14 консолей 12, для чего включают сервомоторы 17 и через редуктор 16 поворачивают зубчатый сектор 15, жестко выполненный на цапфе, и поворачивают винт в горизонтальное положение "б". Управляя рулями 2 киля и стабилизатора 3, рукояткой назад, увеличивают угол атаки крыльев 4.

Возможно и такое выполнение, когда двигатели стоят на крыльях и последние поворачиваются вместе с силовыми установками.

После выполнения эволютивного режима и увеличения скорости полета угол наклона продольной оси фюзеляжа уменьшают. При этом в системе подвески груза возникает составляющая силы тяжести, которая перемещает контейнер по рельсам назад до исчезновения этой силы. При резком выполнении маневра возможно возникновение затухающего маятникового колебания груза. С целью устранения этого явления можно применить тормоза. Может быть применен и гидравлический демпфер, широко известный в авиации.

Лопасти винта 18 на взлете установлены на максимальный диаметр, а при переходе в горизонтальный полет - минимальный диаметр. Для этого пользуются приводом изменения диаметра (не показан). Шестерни 37, 38 приводят во вращение через валик 38 и муфту 35, ходовой винт 34 и гайку 33 посредством трубы 30, ее частей 31 и 32 и обтекатель 29. Перемещается лонжерон и вместе с ним вся подвижная часть по направляющим 24 и салазкам 27 вдоль неподвижной части. Поскольку шестерня 53 зацеплена с зубчатой рейкой 61, то во время перемещения подвижной части по неподвижной она приходит во вращение и в свою очередь приводит во вращение шестерни 54, 55, вал 56 с муфтой 57 (58) и сектор 59, и нервюры поворачиваются относительно оси, совпадающей с осью жесткости, совпадающей с центром давления расчетного режима посредством башмаков и направляющих 44 - 47.

При перемещении части лопасти в положение минимального диаметра посредством рычага 60 изменения угла установки лопасти шаг винта и крутка лопасти происходят по расчетному закону. Вблизи крайне малого диаметра винта в исходном положении шестерни 51 с рычагом 52 свободная шестерня 54 выходит из зацепления с рейкой 61 и входит в зацепление с шестерней 53. После этого в горизонтальном полете крутка лопасти может меняться независимо от шага или с шагом по воле пилота, манипулирующим рычагом 52 или 60. Защитный кожух 49 может быть заменен телескопическими жесткими секциями. При этом корневая секция имеет посадку на цапфе 21, например, с возможностью свободного вращения в подшипнике, а крайняя секция, ближняя к торцу подвижной части, жестко соединена с последней. В результате образуется "гармоника", обеспечивающая защиту подвижных частей и некоторое увеличение тяги винта. Включением привода управления на реверс шестерни 37, 38 подвижная часть начинает обратное перемещение в сторону максимального диаметра с момента выхода свободной шестерни 54 из зацепления с шестерней 53 и входа в зацепление с зубчатой рейкой 61.

Изобретение относится к авиации и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, а также аэростатических аппаратов и аппаратов тяжелее воздуха, содержащих воздушные винты. Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах его полета. Для этого он снабжен устройством, обеспечивающим устойчивость его в полете и содержащим подвесной управляемый в плоскости симметрии летательного аппарата грузовой отсек, и специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом и переменными диаметром и круткой лопастей. Устройство для обеспечения устойчивости в полете размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и выполнено в виде рельса, изогнутого по дуге окружности с центром кривизны, близким к центру масс аппарата, снабжено катками со средствами торможения, взаимодействующими с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного подвесного контейнера, а лопасти специального воздушного винта выполнены из внутренней и наружной частей, телескопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим. Кроме того, лопасти снабжены средствами поворота и изменения крутки по командам от системы управления. При изменении режимов работы силовой установки и условий полета от системы управления могут поступать сигналы на изменение диаметра винтов, изменение шага и крутки лопастей, чем достигается повышение КПД силовой установки, а перемещение массы грузового отсека по дуге окружности позволяет управлять положением летательного аппарата в вертикальной плоскости симметрии летательного аппарата. 5 з. п.ф-лы, 17 ил.

1. Летательный аппарат со специальным винтом, выполненный по схеме среднеплан, содержащий аэростатический корпус, механизированные крылья, хвостовое оперение, шасси, силовую установку с воздушными винтами и средством изменения вектора тяги и систему управления, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции повышения КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах полета, он снабжен устройством, обеспечивающим устойчивость его в полете и содержащим подвесной управляемый в плоскости симметрии аппарата грузовой отсек, со специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом, переменными диаметром и круткой лопастей, при этом устройство для обеспечения устойчивости в полете размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и содержит рельс, изогнутый по дуге окружности с центром кривизны, близким к центру масс летательного аппарата, а также катки со средствами торможения, взаимодействующими с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного подвесного контейнера. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждая из лопастей специального воздушного винта выполнена из двух частей, внутренней и наружной, телекопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим, снабжена ходовым винтом с гайкой и механизмом изменения крутки лопасти, наружная часть лопасти снабжена лонжероном овального сечения с жестким концевым обтекателем и подвижной на подшипниках, охватывающей лонжерон упругодеформируемой при кручении обшивкой, подкрепленной нервюрами и стрингерами и заполненной упругим наполнителем в виде губчатой резины или пенопласта, а механизм изменения крутки лопасти содержит зубчатую рейку, выполненную вдоль задней кромки внутренней части лопасти, и зубчатые передачи, включающие зубчатые секторы и редукторы, установленные на лонжероне наружной части лопасти и взаимодействующие с рейкой и с зубчатыми секторами, установленными на нервюрах и взаимодействующими с выходными шестернями редукторов. 3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что направляющие между внутренней частью лопасти и лонжероном наружной ее части выполнены в виде Т-образной пары у передней кромки внутренней части лопасти и в виде скобы, охватывающей стенку, выполненную по задней кромке этой части лопасти, обеспечивающих продольные перемещения. 4. Аппарат по пп.2 и 3, отличающийся тем, что подшипники между нервюрами корпуса и лонжероном овального сечения выполнены в виде двух пар секторов колец подшипников разного диаметра, соответствующих малой и большой осям овала, при этом подшипниковые пары секторов имеют Т-образный профиль и свободу перемещения по кругу в пределах изменения крутки лопасти. 5. Аппарат по пп.2 - 4, отличающийся тем, что внутренняя часть лопасти, направляющие обеих ее частей и лонжерон выполнены с аэродинамической круткой. 6. Аппарат по пп. 3 - 5, отличающийся тем, что механизм крутки лопасти включает в себя связанный с системой управления зубчатый сектор, подвижно установленный на комле лопасти и взаимодействующий с системой зубчатых передач - зубчатой рейкой, редукторами и зубчатыми секторами нервюр, обеспечивающими управление круткой лопасти, при этом рейка и зубчатые передачи выполнены косозубыми.