УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ Российский патент 1995 года по МПК B64C23/08 

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при конструировании летательных аппаратов всех типов, в том числе с мускульным приводом, в транспорте на воздушной подушке, а также в гидроэнергетике.

Известно устройство для создания подъемной силы, в котором несущий элемент в поперечном сечении имеет форму аэродинамической поверхности, а именно крыло, образованное надувной оболочкой см. международную заявку [1]
Но такое устройство требует больших скоростей обтекания его воздушным потоком, что приводит к необходимости огромных энергетических затрат на создание потока в случае использования его в аппаратах вертикального взлета и посадки и или укороченной длиной пробега.

Известно устройство для создания подъемной силы [2] в котором в качестве несущих элементов использованы два цилиндра, расположенных на корпусе летательного аппарата по обе стороны от его оси.

Однако такое устройство для создания подъемной силы имеет значительное аэродинамическое сопротивление из-за больших диаметров цилиндров. Кроме того, цилиндры требуют принудительного вращения, что усложняет конструкцию. К тому же из-за значительных диаметров цилиндров проявляются достаточно сильно гироскопические эффекты, что усложняет управление аппаратом.

Известно устройство для создания подъемной силы [3] представляющее собой каркас, на котором установлены несколько несущих подвижных элементов в виде профилей, смонтированных на двух бесконечных зубчатых ремнях, которые огибают ведомые зубчатые колеса.

Недостатком такого устройства является сложность конструкции, связанная с необходимостью использования специальных технических средств для приведения ее в движение в целом и изменения углов атаки отдельных несущих элементов. Это приводит к снижению надежности и безопасности устройства и увеличению его веса, а также к ухудшению аэродинамических свойств.

Известны технические устройства, содержащие отдельные цилиндры, имеющие симметрично расположенные относительно оси вращения лопасти и устанавливаемые с возможностью свободного вращения в определенных местах самолета с целью увеличения его подъемной силы [4] и [5] (прототип).

Недостатками таких устройств являются нарушение целостности конструкции летательного аппарата самолета, что ведет к ухудшению его аэродинамических свойств, ослабление прочности летательного аппарата, связанное с необходимостью закрепления устройства на корпусе или крыле самолета, проявление гироскопических эффектов, способствующих возникновению биений и ухудшающих управляемость аппарата.

Задачей, решаемой изобретением, является улучшение аэродинамических свойств устройства, повышение его КПД и возможности применения в летательных аппаратах с вертикальным взлетом и или с укороченной длиной пробега, повышение безопасности полета, надежности конструкции и снижения ее веса, а также реализация возможности эффективного использования энергии атмосферных воздушных потоков для создания подъемной силы и силы тяги в свободном полете путем обеспечения повышения несущей способности всего устройства интегрированием несущих возможностей каждого элемента.

Данная задача решается тем, что в устройстве для создания подъемной силы, содержащем каркас с закрепленными на нем динамическими несущими элементами, каждый из которых выполнен в виде тела вращения с лопастями, размещенными симметрично относительно оси вращения под острым углом к поверхности, каждый динамический несущий элемент установлен с возможностью свободного вращения, имеет диаметр, не менее чем на порядок меньший линейных размеров каркаса, при этом лопасти выполнены гибкими. Каждый динамический элемент выполнен герметичным с избыточным по отношению к атмосферному внутренним давлением из легкого, прочного, непроницаемого материала, динамические несущие элементы могут быть выполнены в виде тел вращения цилиндрической формы разной длины и установлены в каркасе параллельно друг другу таким образом, чтобы их внешние концы описывали кривую заданной конфигурации. Динамические несущие элементы могут быть выполнены различного диаметра и установлены в каркасе с образованием заданного профиля. Динамические несущие элементы могут быть выполнены в виде тел вращения конусоидальной формы и установлены в каркасе радиально. Динамические несущие элементы могут быть установлены в каркасе на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения
а ≅ 0,25, где а расстояние между соседними элементами (величина зазора между их боковыми поверхностями), мм;
d диаметр несущих элементов, мм.

На фиг.1 изображено устройство, динамические элементы которого выполнены в виде тел вращения цилиндрической формы, вид сверху; на фиг.2 то же, устройство с радиально установленными в каркасе динамическими несущими элементами, вид сверху; на фиг.3 часть устройства с динамическими несущими элементами, установленными с образованием заданного профиля; на фиг.4 несущий динамический элемент цилиндрической формы; на фиг.5 элемент конусоидальной формы; на фиг.6, 7 и 8 изображены схемы взаимодействия устройства с набегающим потоком.

На каркасе 1, контуры которого определяются типом летательного аппарата, закрепляются несущие динамические элементы 2. Если динамические несущие элементы 2 выполнены в виде тел вращения цилиндрической формы различной длины, то они установлены в каркасе параллельно друг другу так, что их внешние концы описывают кривую заданной конфигурации (фиг.1), если элементы 2 имеют разные диаметры, то они установлены в каркасе 1 с образованием заданного профиля (фиг.3), если элементы 2 выполнены конусоидальной формы, то они установлены в каркасе 1 радиально (фиг.2).

Несущий динамический элемент 2 имеет герметичный корпус 3 из легкого, прочного, непроницаемого материала и основания 4 с крепежными плоскими кольцами 5. Вдоль корпуса на поверхности элемента симметрично относительно оси вращения закреплены гибкие лопасти 6 под острым углом к поверхности. Концы лопастей 6 удерживаются крепежными кольцами 5, при этом прилегающая к поверхности кромка лопасти закреплена на поверхности с помощью клея или иным способом. По центру оснований 4 установлены валики 7 с кипелями, которые смонтированы в подшипниках 8 каркаса 1. Это обеспечивает возможность свободного вращения динамических несущих элементов вокруг собственных осей. Наличие кипелей в валиках 7 позволяет установить и выдерживать внутреннее давление в герметичном корпусе несущего элемента, избыточного по сравнению с атмосферным, что обеспечивает заданную жесткость. В каркасе несущие элементы расположены таким образом, чтобы их поверхности находились на расстоянии а ≅ 0,25d, где d диаметр несущих элементов.

Устройство для создания подъемной силы установлено на транспортном средстве (летательном аппарате) таким образом, чтобы лопасти 6 на всех динамических несущих элементах, в момент их нахождения в самом верхнем положении были наклонены к потоку несущей среды под острым углом.

Устройство для создания подъемной силы работает следующим образом.

Под действием набегающего потока на лопасти 6 динамических несущих элементов 2 последние начинают вращаться вокруг собственных осей, причем все в одну сторону, по часовой стрелке (фиг.6-8). Так как устройство представляет собой конструкцию из множества динамических несущих элементов, то его несущая способность будет интегрироваться из несущих возможностей каждого элемента. Взаимодействие вращающегося элемента с воздушным потоком приводит к появлению силы, направленной перпендикулярно как к направлению потока, так и к оси вращения элемента (эффект Магнуса), т.е. подъемной силы (фиг.6 и 7) и силы тяги (фиг.8).

При использовании устройства для создания подъемной силы с цилиндрическими элементами величину подъемной силы можно менять поворотом устройства около его оси симметрии, лежащей в горизонтальной плоскости и перпендикулярной линиям тока, меняя таким образом угол между направлением потока и плоскостью устройства. Это связано с тем, что при изменении угла атаки от положения, указанного на фиг.6, до положения, иллюстрированного на фиг.7, меняется скорость обтекания каждого динамического несущего элемента воздушным потоком, что в свою очередь приводит к изменению скорости вращения элементов, от которой зависит (прямо пропорционально) величина силы, обусловленной эффектом Магнуса.

На фиг. 8 приведена схема, поясняющая возникновение движущей в горизонтальном направлении силы, т.е. силы тяги, действующей на устройство в том случае, когда летательный аппарат теряет высоту или испытывает действие восходящего потока. Характер взаимодействия набегающего потока с устройством в этом случае таков, что даже незначительные по скорости потоки могут создавать значительную силу тяги.

Устройство с конусообразными элементами может быть использовано для создания подъемной силы в летательных аппаратах типа вертолетов. В этом случае оно выполняет функции несущего винта. Воздушный поток, обтекающий конусоидальные элементы, создается за счет принудительного вращения устройства вокруг его оси вращения. Лопасти 6 располагаются на всех конусоидальных элементах таким образом, что, находясь в процессе вращения в самом верхнем положении, они наклонены к набегающему потоку под острым углом. Все динамические несущие элементы будут вращаться вокруг своих осей таким образом, что верхние части их поверхностей будут двигаться по направлению воздушного потока, а нижние против, в результате чего давление над устройством будет меньше чем под ним, что и обеспечивает создание подъемной силы, действующей на устройство. В случае потери летательным аппаратом высоты, набегающий на устройство снизу поток будет, во-первых, раскручивать динамические несущие элементы, и во-вторых, взаимодействуя с ними, закрутит все устройство вокруг его оси вращения, что в свою очередь пpиводит к возникновению подъемной силы. Таким образом обеспечивается высокий КПД работы устройства и полная безопасность полета.

Кроме того, устройство с конусообразными элементами может использоваться в производстве гидроэнергетических установок. Набегающий перпендикулярно плоскости каркаса поток, проходя через устройство и воздействуя на гибкие лопасти конусообразных элементов, вызывает вращение каждого из них таким образом, что взаимодействие каждой пары вращающихся элементов, расположенных вдоль одного диаметра, с потоком приводит к возникновению вращающего момента. При этом все вращающие моменты направлены вдоль оси вращения устройства в одну сторону. В результате на устройство в целом будет действовать суммарный вращающий момент, действующий на устройство, что имеет большое значение.

Благодаря тому, что каждый несущий элемент снабжен гибкими лопастями, закрепленными на его поверхности, и установлен в каркасе с возможностью свободного вращения, при набегании на него потока эффективно обеспечивается возможность его самовращения.

Благодаря тому, что каждый несущий элемент представляет из себя тело вращения цилиндрической, конусоидальной или иной формы диаметром, не менее чем на порядок меньшим линейных размеров каркаса, устанавливая элементы, отличающиеся длиной и диаметpом, в каркасе в определенном порядке можно получать устройства заданной конфигурации и заданного профиля в зависимости от типа летательного аппарата.

Благодаря тому, что каждый динамический несущий элемент самовращается, движение всего устройства для создания подъемной силы в собственной системе координат осуществляется автоматически в процессе взаимодействия его с набегающим потоком, а характер этого движения определяется всей совокупностью элементов. Это дает возможность эффективно использовать энергию неоднородных как в пpостранстве, так и во времени атмосферных воздушных потоков для создания подъемной силы и силы тяги в условиях свободного полета.

Благодаря тому, что каждый динамический несущий элемент выполнен герметичным с избыточным по отношению к атмосферному, внутренним давлением, необходимую жесткость элемента можно обеспечить, выполнив его из легкого, прочного, непроницаемого материала и тем самым значительно снизить его вес, а следовательно, и вес всего устройства. Кроме того, ввиду малой массы и незначительного диаметра вращающегося элемента, его момент количества движения столь незначителен, что гироскопические эффекты практически отсутствуют.

Благодаря тому, что динамические несущие элементы установлены в каркасе на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения а ≅ 0,25d, общая несущая "поверхность" устройства будет проницаема для потока, при этом, если поток набегает перпендикулярно плоскости устройства, то скорость течения в зазоре между соседними элементами не менее чем в четыре раза больше скорости основного потока, что следует из уравнения неразрывности. Соответственно возрастает и скорость вращения элементов. В результате можно значительно в несколько раз менять величину подъемной силы изменением угла между плоскостью устройства и направлением потока, что дает возможность эффективно использовать устройство для создания подъемной силы в самолетах с вертикальным взлетом или укороченной длиной пробега. Во время взлета плоскость устройства устанавливается под таким углом к набегающему потоку, создаваемому винтом, чтобы скорость вращения элементов была максимальной, при этом подъемная сила может значительно превышать силу тяги винта, что дает возможность осуществлять вертикальный взлет, а уменьшение до нуля или близко к нему этого угла в режиме полета делает величину аэродинамического сопротивления устройства сравнимой с сопротивлением обычного крыла. Кроме того, при потере летательным аппаратом высоты взаимодействия проникающего через устройство вертикально вверх потока с вращающимися динамическими несущими элементами приводит к возникновению движущей в горизонтальном направлении силы силы тяги. В результате этого значительно улучшаются летные характеристики и повышается безопасность полетов летательных аппаратов.

Использование предлагаемого устройства для создания подъемной силы позволяет улучшить аэродинамические свойства, повысить КПД, расширить возможности создания аппаратов с вертикальным взлетом и (или) с укороченной длиной пробега, уменьшить вес, повысить безопасность полета и надежность конструкции, а также реализовать возможности эффективного использования энергии атмосферных потоков для создания подъемной силы и силы тяги в свободном полете.

Изобретение относится к авиационной техники и может быть использовано в лекарственных аппаратах в качестве устройства, создающего подъемную силу. Каждый динамический несущий элемент установлен в каркасе с возможностью свободного вращения и имеет диаметр не менее, чем на порядок меньше линейных размеров каркаса. Каждый динамический элемент выполнен с гибкими лопастями, а также может быть выполнен герметичным с избыточным давлением по отношению к атмосферному из легкого непроницаемого материала. Динамические элементы могут быть цилиндрическими, конусными и различного диаметра с образованием заданного профиля. Изобретение позволяет улучшить аэродинамические свойства устройства, повысить его КПД, повысить безопасность полета и надежность конструкции. 5 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ, содержащее каркас с укрепленными на нем динамическими несущими элементами, каждый из которых выполнен в виде тела вращения с лопастями, размещенными на его поверхности симметрично относительно оси вращения под острым углом к поверхности, отличающееся тем, что каждый динамический несущий элемент установлен с возможностью свободного вращения, имеет диаметр не менее чем на порядок меньший линейных размеров каркаса, при этом лопасти выполнены гибкими. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый динамический несущий элемент выполнен герметичным с избыточным по отношению к атмосферному внутренним давлением из легкого, прочного, непроницаемого материала. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что динамические несущие элементы выполнены в виде тел вращения цилиндрической формы разной длины и установлены в каркасе параллельно друг другу таким образом, чтобы их внешние концы описывали кривую заданной конфигурации. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что динамические несущие элементы выполнены различного диаметра и установлены в каркасе с образованием заданного профиля. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что динамические несущие элементы выполнены в виде тел вращения конусоидальной формы и установлены в каркасе радиально. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что динамические несущие элементы установлены в каркасе на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения
a ≅ 0,25d,
где a расстояние между соседними элементами (величина зазора между их боковыми поверхностями), мм;
d диаметр несущих элементов, мм.