МАХОЛЕТ Российский патент 1997 года по МПК B64C33/00 B64C33/02 

Изобретение относится к авиации, в частности к летательным аппаратам с машущими крыльями.

Известна конструкция махолета (патент США N 3498574, МПК 6 B 64 C 33/02, 1970 г. ), содержащая механически жесткий корпус, два машущих крыла, привод машущих крыльев, энергетическую установку и место для пилота.

Существенный недостаток известного устройства махолета заключается в том, что его сложный гидравлический привод сообщает двум крыльям угловые с вершиной угла в точках шарнирного их крепления возвратно-поворотные машущие движения, а его хвостовое оперение способно выполнять лишь при поступательной скорости аппарата единственно возможную функцию руля направления путем воздействия ногами пилота на двуплечий рычаг хвостового оперения.

Кинематическая схема маха и привода крыльев известного устройства неизбежно определяет его аэромеханические недостатки: во-первых, крылья, обладают максимальной скоростью движения лишь в момент прохождения биссектрисы угла взмаха и нулевой скоростью в крайней верхней и нижней точках взмаха, т.к. они кинематически вынуждены на мгновение останавливаться в крайних точках взмаха для изменения направления своего движения в обратную сторону; во-вторых, при движениях крыльев снизу вверх всегда одновременно возникают две составляющие аэродинамической силы, одна из которых представляет некоторой величины отрицательную подъемную силу, направленную вертикально вниз, другая сила "тяги" направлена горизонтально вперед, первая из них не создает положительного эффекта в машущем режиме крыльев, препятствуя взлету махолета вверх, а вторая сила "тяги" обеспечивает лишь скорость поступательного движения и не способствует взлету махолета с места вертикально вверх; в-третьих, во избежание ударов концов крыльев при взлете и посадке о поверхность земли конструктивно неизбежно возникает необходимость уменьшать величину угла взмаха или несимметрично располагать его выше горизонтали проходящей через вершину угла взмаха, что приводит в обоих случаях к снижению аэродинамической эффективности с уменьшением подъемной силы крыльев при взмахе сверху вниз; в-четвертых, кинематика привода крыльев с возвратно-поворотными колебаниями нерациональна для повышения частоты их взмахов что значительно снижает эффективность махолета. Таким образом, известный махолет содержит наличие функциональных противоречий во взаимосвязи конструкторских элементов его устройства, между длиной крыла, величиной угла взмаха, его симметричного расположения относительно горизонтали и высотой шарнирного крепления вершины угла от поверхности земли, которые полностью устраняются решением технической задачи по новой кинематической схеме предложенного устройства махолета.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности машущего крыла.

Указанный технический результат достигается тем, что в махолете, содержащем корпус, два машущих крыла, привод машущих крыльев, энергетическую установку и место для пилота, каждое машущее крыло по его поперечной линии симметричны, вращательно укреплены на кривошипной шейке коленчатого вала, установленного своими коренными подшипниками на двух цапфах, закрепленных неподвижно в поворотном кронштейне, прикрепленном к боковой стенке корпуса, причем крыло кинематически соединено двумя, например, цепными передачами со звездочками, скрепленными с торцами цапф кронштейна, обеспечивая им планетарное вращение с меньшей в два раза частотой в противоположном направлении вращения относительно коленчатого вала, кинематически соединенного двумя, например, цепными передачами с продольным валом и посредством конических шестерен и поперечного вала с энергетической установкой, обеспечивая правому и левому коленчатым валам относительно друг друга синхронно противоположное направление вращения, при этом размах каждого крыла определяется по формуле: L 4R + d, где L размах каждого крыла, м; R радиус кривошипа коленчатого вала, м; d габаритная толщина каждого крыла, м.

Для обеспечения управления полетом на правой и левой боковых сторонах корпуса установлено по одному поворотному рычагу, кинематически соединенному, например, с помощью видящей на его оси зубчатой шестерни с зубчатым сектором полукольца поворотного кронштейна.

Корпус может быть снабжен сплошной стенкой, установленной сверху и обеспечивающей ограничение перетекания воздуха из области сжатия в область разряжения, создаваемых крыльями.

Крыло может быть выполнено трапециевидной формы в плане.

На фиг. 1 показан махолет с частичными вырезами части корпуса и крыла, вид сверху; на фиг. 2 то же с разрезом по поперечной его оси, вид спереди; на фиг. 3 то же с частичным разрезом по рычагу управления, вид сбоку.

Махолет содержит легкий механический жесткий корпус 1 с бесколесными опорами для приземления и укрепленные на нем энергетическую установку 2 и место для пилота 3. Сверху корпус обеспечен сплошной стенкой 4. Каждое машущее крыло махолета, правое 5 и левое 6, вращательно укреплены по поперечной их линии симметрии на кривошипной шейке 7 коленчатых валов 8, установленных своими коренными подшипниками 9 на цапфах 10, неподвижно закрепленных в поворотных кронштейнах 11, прикрепленных к боковым сторонам корпуса, например, с помощью поперечной цапфы 12. Каждое крыло 5 и 6 кинематически соединено двумя, например, цепными передачами 13, со звездочками 14 передачи, неподвижно закрепленных на торцах цапф 10, которые обеспечивают крыльям планетарное вращение в противоположном направлении относительно коленчатого вала 8 с меньшей в два раза частотой, направление вращения которых на фиг. 2 показано круговыми стрелками, исходящими от них. Коленчатые валы 8 кинематически соединены двумя, например, цепными передачами 15 с продольными валами 16 и посредством конических шестерен 17, 18 и поперечного вала 19 с энергетической установкой 2, вращение которых кинематически синхронно с обеспечением противоположного их направления вращения относительно друг к другу, и на фиг. 1,2 показано круговыми стрелками вокруг валов. Поворотные кронштейны 11, выполнены за одно целое с полукольцами 20, которые снабжены зубчатыми секторами 21, кинематически сцепленные (фиг.3) с зубчатыми шестернями 22, сидящими на осях поворотных рычагов 23, установленных на боковых стенках корпуса 1 и предназначенных для управления махолетом в полете со взлетом его вертикально с места без предварительного разбега.

Крылья 5 и 6 имеют ребра жесткости 24 и односторонние накрест лежащие полуплоскости 25, зубчатые концы которых загнуты на противоположную сторону крыльев и закреплены на ребрах жесткости. Размах крыла "L" равен (фиг.2) четырехкратной длине радиуса кривошипа "R" и однократной ее габаритной толщины "d" т.e. L 4R+d
На боковой стенке корпуса установлен, например, поворотный двуплечий рычаг 26 с загнутым верхним концом, сцепляемый в случае необходимости с радиальным штырем 27 поперечного вала 19, и служит для предотвращения ротации крыльев в случае отказа в работе энергетической установки 2. Вместо двуплечего рычага 26 в этом случае для торможения поперечного вала 19 может быть использован традиционный фрикционный тормоз. Крылья в плане могут быть выполнены равнобедренной трапециевидной формы, установленной на коленчатом валу с разной длиной радиусов кривошипов по концам его кривошипной шейки в кратном соотношении с размерами оснований формы трапеции крыла.

Предложенное устройство махолета осуществляет машущий полет следующим образом. Вал отбора мощности энергетической установки 2 через конические шестерни 18 передает вращение поперечному валу 19, от которого по коническим шестерням 17, продольным валам 16 и двум цепным передачам 15 вращение переходит на коренные подшипники 8 коленчатых валов 8, на кривошипных шейках 7 которых вращательно установлено правое крыло 5 и левое крыло 6 махолета. Каждое крыло совместно вращается с коленчатым валом и одновременно планетарно поворачивается на кривошипной шейке 7 в противоположную сторону вращения вала (фиг.2) с меньшей в два раза частотой благодаря двум цепным передачам 13, кинематически связывающим крыло со звездочками 14, неподвижно закрепленными на торцах цапф 10 кронштейна 11. В результате ежеоборотного вращения коленчатых валов при одновременном планетарном движении на их кривошипных шейках крылья 5,6 совершают непрерывные в одностороннем направлении безостановочные машущие движения сверху вниз, постоянно создавая области сжатого воздуха под крыльями и области разреженного воздуха над крыльями, разность давлений которых определяет подъемную силу крыльев махолета, способствуя вертикальному взлету с места без предварительного разбега со сколь угодно малой скоростью. В промежутке расположения обоих крыльев 5 и 6 возникают области сжатия и разрежения воздуха, а поэтому для ограничения перетекания воздуха из одной области в другую верхняя сторона корпуса выполнена сплошной стенкой 4, что способствует увеличению подъемной силы махолета.

Направления вращения коленчатых валов 8 и крыльев 5 и 6 показаны на фиг. 2 исходящими от них круговыми стрелками. Концы крыльев, равноудаленные от их осей вращения на кривошипных шейках 7, описывают на плоскости пересекающей их оси геометрические кривые улитки Э.Паскаля, обозначенные на фиг.2 буквой "П". Положения крыльев в некоторые моменты времени их вращения показаны на фиг. 2 пунктирными с точками линиями, а взаимно параллельное положение обoих крыльев между собой в момент прохождения их точек касания с окружностями вращения кривошипных шеек 7 по радиусу "R" обозначено буквой "Т". Необходимо отметить интересное свойство крыльев предложенной схемы махолета, которое заключается в том, что в момент прохождения крыльями своего взаимно параллельного расположения между собой они в течение каждого оборота вала 7 меняют положения своих плоскостей, т.е. нижнюю на верхнюю с переходом (по направлению их движения) заднего конца крыла на передний.

Управление махолетом в полете очень простое и производится с помощью лишь двух поворотных рычагов 23, расположенных справа и слева от пилота, зубчатые шестерни 22 которых, сидящие на их осях, сцеплены с зубчатыми секторами 21, выполненных на полукольцах 20 кронштейнов 11, поворотно установленных на поперечных цапфах 12 в боковых стенках корпуса. Направления поворота рычагов 23 показано на фиг. 3 круговыми стрелками, исходящими от рукоятки рычага. При повороте обoих (правого и левого) рычагов 23 "назад на себя" продольные оси вращения коленчатых валов 8 поворачиваются передними своими концами вниз в пределах, показанных на фиг.3, угла ε₁ совместно с укрепленными на валах крыльями 5 и 6, в результате чего аэродинамические силы машущих крыльев наклоняются в ту же сторону, создавая вектор силы, направленный горизонтально и обеспечивающий ускоренное поступательное движение махолету вперед. При повороте обoих рычагов 23 в обратную сторону "от себя вперед" продольные оси валов поворачиваются своими концами вверх, показанных на фиг. 3 углом ε₂, обеспечивая замедление поступательного движения махолета с последующим переходом движения в обратную сторону назад. Чем больши углы наклона плоскостей крыльев, тем больше горизонтальный вектор силы, ускоряющий поступательное движение махолета. Повороты правого и левого рычагов 23 в разные стороны обеспечивают махолету вращательный момент вокруг вертикальной его оси симметрии с возможностью совершать повороты, вращение на месте при "зависании" и вращение при вертикальном подъеме или спуске вокруг своей оси. В случае отказа в работе энергетической установки 2 ротацию крыльев при вынужденном вертикальном парашутировании махолета возможно приостановить, повернув, например, двуплечий рычаг 26, как показано на фиг.3 по направлению стрелки "m", введя верхний загнутый его конец в зацепление в радиально выступающим штырем 27 из поперечного вала 19, таким образом производя остановку и фиксацию положения крыльев махолета в распростертом в стороны состоянии. Зафиксированные в таком состоянии крылья при спуске махолета управляются теми же рычагами 23 с изменением их наклона.

Форма и профиль крыльев предложенной схемы махолета имеют меньшее значение, чем обтекаемые стационарным встречным потоком воздуха самолетные профили крыльев или профили лопастей вертолетного винта, поэтому незакрытые плоскостями половины ребер жесткости 24 крыльев 5 и 6 на противоположно накрест лежащих их сторонах способствуют лучшему удержанию от растекания области сжатия воздуха под крылом, повышая их аэродинамическую эффективность, а по форме крыльям 5 и 6 вместо прямоугольника возможно придать равнобедренную трапециевидную форму (не показано), устанавливаемую на коленчатом валу, имеющему разную длину кривошипов по его концам кривошипной шейки в соответствии с длинами двух оснований трапеции крыла. Такая форма трапециевидного крыла позволяет конструировать скоростные махолеты вертикального взлета с использованием турбореактивного двигателя, установленного на нем в качестве мощной силы тяги.

Ввиду функциональной ненадобности в предложенном махолете таких традиционных механизмов, как элероны, хвостовое оперение и колесные шасси, значительно сокращаются его масса и габариты, увеличиваются полезная нагрузка и дальность перелетов, а способность его к вертикальному взлету с места не требует оборудованных аэродромов, взлетно-посадочных полос и уменьшает эксплуатационные расходы.

Такая кинематика маха крыльев предложенного махолета, обладающая высокой аэромеханической эффективностью крыльев вертикального взлета с места без разбега со сколь угодно малой скоростью, позволяет применять его схему в качестве мускулулета, использовав вместо энергетической установки велопедальный привод и легкий каркас крыльев, обтянутых прочной тканью, а также позволяет производить различные летающие пластмассовые игрушки.

Предложенная принципиально новая кинематическая схема планетарно-вращательного маха крыльев махолета представляет для экспериментальной и теоретической аэромеханики и гидромеханики большой научный интерес, а по сравнению с традиционными летательными аппаратами она имеет больше вариантов конструкторских решений и возможности дальнейшего совершенствования.

Использование: изобретение относится к авиации, в частности, к летательным аппаратам с машущим крылом. Сущность изобретения: махолет содержит жесткий корпус, два машущих крыла, привод машущих крыльев, энергетическую установку и место для пилота. Каждое машущее крыло вращательно укреплено на кривошипной шейке коленчатого вала с обеспечением им планетарного вращения с меньшей в два раза частотой в противоположном направлении вращения относительно коленчатого вала. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Махолет, содержащий жесткий корпус, два машущих крыла, привод машущих крыльев, энергетическую установку и место для пилота, отличающийся тем, что каждое машущее крыло по его поперечной линии симметрии вращательно укреплено на кривошипной шейке коленчатого вала, установленного своими коренными подшипниками на двух цапфах, закругленных неподвижно в поворотном кронштейне, прикреплено к боковой стенке корпуса, причем крыло кинематически соединено двумя, например, цепными передачи со звездочками скрепленными с торцами цапф кронштейна, обеспечивая им планетарное вращение с меньшей в два раза частотой в противоположном направлении вращения относительно коленчатого вала, кинематически соединенного двумя, например, цепными передачами с продольным валом и посредством конических шестерен и поперечного вала с энергетической установкой, обеспечивающей правому и левому коленчатым валам относительно друг друга синхронно противоположное направление вращения, при этом размах каждого крыла определяется по формуле L 4R + d, где L размах каждого крыла, м; R радиус кривошипа коленчатого вала, м; d габаритная толщина каждого крыла, м. 2. Махолет по п. 1, отличающийся тем, что для обеспечения управления полетом на правой и левой боковых сторонах корпуса установлено по одному поворотному рычагу, кинематически соединенному, например, с помощью сидящей на его оси зубчатой шестерни с зубчатым сектором полукольца поворотного кронштейна. 3. Махолет по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что корпус снабжен сплошной стенкой, установленной сверху и обеспечивающей ограничение перетекания воздуха из области сжатия в область разряжения, создаваемых крыльями. 4. Махолет по пп. 1 3, отличающийся тем, что крыло выполнено трапециевидной формы в плане.