Изобретение - маховой диафрагменный движитель относится к устройствам для перемещения в воздушной среде летательных аппаратов со свойствами самолета и вертолета.
Известен движитель для летательных аппаратов (пат. СССР N 8237, 1929). Известное техническое решение содержит диафрагму с обратными самодействующими клапанами, расположенными с нижней ее стороны, которая под действием кривошипного механизма совершает вертикальные колебания поршневого характера и челночные продольные перемещения. При движении диафрагмы вперед-вниз пластинообразные обратные клапаны прижимаются к диафрагме и перекрывают сквозные отверстия, а при перемещении назад-вверх откидываются вниз, открывая отверстия и отбрасывая захваченную массу воздуха назад, "создавая при этом подъемную силу и силу тяги для поступательного перемещения аппарата и подъема его" (из описания патента).
Заявляемое техническое решение от известного технического решения отличается следующими признаками:
1. Маховая диафрагма имеет на передней концевой части шарнирное соединение с корпусом, в связи с чем ее колебания носят не поршневой, а веерный характер, т.е. диафрагма заметает некоторый угол с вершиной в средней осевой точке шарнирного соединения.
2. Маховая диафрагма расположена в коробчатом корпусе, высота стенок которого равна максимальной амплитуде ее колебаний, что практически исключает перетекание нагнетаемой среды вверх вокруг кромок диафрагмы и позволяет получить хорошо сформированный однонаправленный воздушный поток.
3. Управление вектором воздушного потока осуществляется путем изменения среднего угла колебаний веерных диафрагм и положения заслонок задней стенки коробчатого корпуса. Именно таким образом создается пропульсивная составляющая аэродинамической силы. В связи с этим следует заметить, что в известном техническом решении горизонтальная тяга будет крайне мала из-за недостаточной массы воздуха, отбрасываемого пластинами открытых обратных клапанов при их челночных продольных перемещениях.
4. Заявляемый маховой диафрагменный движитель имеет две аксиально расположенные маховые диафрагмы, что позволяет получить на его выходе хорошо сглаженный двухполупериодный воздушный поток, практически не имеющий пульсаций.
Техническим результатом изобретения является создание эффективных воздушных движителей, обладающих аэродинамической силой с подъемной и пропульсивной составляющими, на основе которых возможно осуществить создание летательных аппаратов со свойствами самолета и вертолета без применения воздушных винтов.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что для создания подъемной и пропульсивной сил применяются одна или две противофазно колеблющиеся маховые диафрагмы с самодействующими обратными клапанами, связанные с колебательным приводом. Диафрагмы одним краем шарнирно закреплены на передней поперечной стороне корпуса, имеют плоскую или купольную форму и выполнены в виде решетчатого каркаса с закрепленной на нем тонкой высокопрочной поддерживающей сеткой и обратными, например, лепестковыми /пластинчатыми/ клапанами, расположенными с выходной стороны решетки, а боковые продольные стенки корпуса имеют высоту, уменьшающую или исключающую перетекание через них нагнетаемой среды, причем задняя стенка корпуса выполнена откидывающейся, высотой, равной, например, величине амплитуды маховой диафрагмы, и соотношение подъемной и пропульсивной сил при откинутой задней стенке устанавливается путем изменения среднего угла атаки диафрагмы, а абсолютное их значение определяется путем изменения частоты и /или/ амплитуды их колебаний, причем в случае применения двух диафрагм они располагаются одна над другой и колеблются противофазно.
Заявляемое техническое решение позволяет получить мощный асимметричный воздушный поток и в результате этого подъемную и пропульсивную силы, достаточные для применения заявляемого движителя в летательных аппаратах для их вертикального подъема и посадки и горизонтального полета с определенной полезной нагрузкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано:
Фиг. 1, 2, 3 - разрез крыла махового самолета с двухрядным расположением маховых двухдиафрагменных движителей:
Фиг. 1 - режим вертикального полета или висения;
Фиг. 2 - режим горизонтального полета вперед;
Фиг. 3 - режим горизонтального полета назад или торможения.
Фиг. 4 - маховая диафрагма.
Фиг. 5 - примерный облик махового самолета, вид сбоку.
Фиг. 6 - примерный облик махового самолета, вид сверху.
Фиг. 7 - примерный облик махового самолета, вид спереди.
Рассмотрим маховой двухдиафрагменный движитель и его режимы, показанные на фиг. 1, 2, 3. На этих трех фигурах маховой движитель показан как элемент крыла махового самолета с двухрядным расположением движителей. Первый (передний) ряд представлен движителем с купольной диафрагмой, движитель второго ряда имеет плоскую диафрагму. Рассмотрим работу движителя второго ряда с плоской диафрагмой. Движитель содержит боковые стенки 2, которые выполнены как сквозные аэродинамические ребра крыла, решетчатый каркас 3 верхней и такой же каркас нижней диафрагм с отверстиями 5 и обратными клапанами в виде пластинчатых лепестков 6, передние и задние поперечные перемычки 7, роль которых выполняют лонжероны крыла, откидывающиеся задние стенки 8. Как видно на фиг. 1, 2, 3, маховые диафрагмы подвижно закреплены на цапфах на несущих лонжеронах крыла. Их соединение с колебательным приводом (на чертеже не показано) может быть выполнено различными способами в зависимости от особенностей привода. На фиг. 4 приведена маховая диафрагма, выполненная в виде двухплечего рычага, закрепленного на оси, проходящей через отверстие 14. С силовым колебательным приводом в этом случае диафрагма соединена через свои короткие плечи 13.
Работает маховой двухдиафрагменный движитель следующим образом. Под действием силового привода маховые диафрагмы совершают взаимно противофазные колебания. При расхождении диафрагм /фиг. 1/ лепестки нижней диафрагмы под действием собственной упругости и возникающего в переходной зоне 4 пониженного давления будут прижиматься к каркасу и перекрывать отверстия 5. В результате этого воздух нижней диафрагмой будет отбрасываться вниз. Лепестки же верхней диафрагмы под действием того же пониженного давления в переходной зоне 4 и повышенного давления со стороны верхней зоны отойдут незакрепленной стороной от каркаса и откроют отверстия 5 для прохода воздуха из верхней зоны над диафрагмой в переходную зону 4.
При достижении диафрагмами крайних положений на лепестки обратных клапанов 6 будет действовать сила инерции. При останове диафрагм в верхней мертвой точке незакрепленные стороны лепестков будут продолжать движение и в нижней диафрагме откроют, а в верхней диафрагме закроют отверстия. При сближении диафрагм /фиг. 2, 3/ на лепестки 6 верхней диафрагмы будет действовать перепад давлений между переходной зоной 4 (повышенное давление) и верхней зоной над верхней диафрагмой (пониженное давление), который создаст дополнительную силу прижима лепестков к каркасу верней диафрагмы, и теперь уже верхняя диафрагма будет отбрасывать воздух вниз через открытые отверстия нижней диафрагмы, на которую будет действовать повышенное давление со стороны переходной зоны 4. Таким образом, двухдиафрагменный движитель будет формировать хорошо сглаженный практически непрерывный двухполупериодный поток, характеристики которого будут зависеть от частоты и амплитуды колебаний диафрагм.
На фиг. 1 у махового движителя заслонки 8 задней стенки показаны в поднятом положении, а средний угол атаки α равен нулю. Это значит, что отбрасывание воздушного потока будет происходить только сверху вниз, т.е. движитель будет формировать только подъемную силу.
На фиг. 2 заслонки 8 задней стенки показаны в откинутом состоянии, а средний угол атаки α маховых диафрагм больше нуля. В этом положении при расхождении диафрагм нижняя диафрагма будет отбрасывать поток вниз и назад, в результате чего возникает вместе с подъемной силой и пропульсивная сила, т. е. появляется горизонтальная тяга вперед. В связи с тем, что лепестки 6 верхней диафрагмы (а следовательно, и отверстия 5) будут открыты при расхождении диафрагм, она практически не будет оказывать сопротивления при движении вперед. При сближении диафрагм уже верхняя диафрагма будет создавать подъемную и пропульсивную силу. Очевидно, что их соотношение будет зависеть от величины среднего угла атаки диафрагм.
На фиг. 3 средний угол атаки α диафрагм махового движителя меньше нуля, верхние заслонки задней стенки откинуты, а нижние подняты. В этом положении при расхождении диафрагм нижняя диафрагма, отбрасывая воздушный поток вниз и под некоторым углом вперед, будет создавать не только подъемную, но и пропульсивную силу, вектор которой, однако, будет направлен назад. То же самое будет происходить и при сближении диафрагм. В итоге в этом положении у махового движителя появится задний ход.
Боковая проекция поршневой диафрагмы является прямоугольником, две стороны которого равны продольному размеру диафрагмы, а две другие стороны - величине амплитуды ее смещения. Если вписать в этот прямоугольник проекцию маховой диафрагмы с амплитудой крайней точки ее подвижного конца, равной амплитуде поршневой диафрагмы, то очевидно, что площадь, заметаемая маховой диафрагмой, будет в два раза меньше площади, заметаемой поршневой диафрагмой. Следовательно, уменьшится в два раза секундная масса воздуха, проходящая через маховой движитель, и скорость отбрасываемого потока, т.е. маховая диафрагма будет эквивалентна поршневой диафрагме с меньшей в два раза амплитудой смещения. Но амплитуде такой величины соответствует средняя точка продольной стороны диафрагмы.
Частота колебаний диафрагмы равна отношению скорости отбрасываемого потока к величине смещения диафрагмы, т.е.
fм.д. = V/Aм.д., /1/
где
V - скорость отбрасываемого потока,
Aм.д. - амплитуда колебаний маховой диафрагмы.
Сказанное относится к однодиафрагменному движителю. У двухдиафрагменного махового движителя две диафрагмы, режим его работы двухполупериодный, следовательно, отбрасываемая им секундная масса воздуха в два раза больше и частота колебаний диафрагм равна
fм.д. = V/2Aм.д.. /2/
Определим силу, необходимую для реализации колебательного процесса диафрагм махового движителя. В современных вертолетах параметр Pк, называемый нагрузкой на ометаемую несущим винтом площадь, составляет порядка 100-250 н/м2. В режиме висения индуктивная скорость отбрасываемого несущим винтом потока равна
/3/
где
T - сила тяги;
p - плотность воздуха;
Fн - ометаемая несущим винтом площадь.
Если величину p взять соответствующей уровню моря, то
/4/
Сила, необходимая для отбрасывания потока, т.е. индуктивная сила, будет равна
Fи=CxS0,5V2, /5/
где
Cx - коэффициент, зависящий от формы в данном случае диафрагмы,
S - площадь диафрагмы.
Форму диафрагмы определим как плоскую и квадратную, для которой коэффициент Cx равен 1,15. Однако в режиме вертикального полета диафрагма по периметру ограничена стенками (фиг. 1), что позволяет считать условия ее работы сходными с условиями работы купольной диафрагмы, для которой Cx=1,43. Пусть теперь Aм.д.=0,25, Sм.д.=1 м2, Pк=250 н/м2. Тогда
f=V/2Aм.д. = 10,2/2•0,25 = 20 Гц,
Fи=CxpS0,5V2 = 1,43•1,2•1•0,5•10,22 = 89 кг.
Сила Fи= 89 кг необходима только для перемещения секундного объема воздуха через сечение 1 м2 со скоростью 10,2 м/сек. Однако диафрагма имеет отличную от нуля массу, для ускорения которой необходима дополнительная сила Fм= мa, где м - масса диафрагмы, a - ускорение диафрагмы. Так как в нашем случае a=V/t, где t=1/f=A/V, можно записать
Fм=мV2/A. /6/
Возможная конструкция диафрагмы представлена на фиг. 4. Диафрагма выполнена в виде решетчатого каркаса 11 с размером ячеек 5 100x100 мм, на котором закреплена тонкая опорная сетка 12. Если определить среднюю высоту стенок ячеек 15 мм, толщину 1,0 мм, то объем материала решетки составит 3•10-4 м3. Если выполнить диафрагму из кевлара, плотность которого составляет 1,37•103 кг/м3, то масса одной диафрагмы составит 0,411 кг, а сила, необходимая для ускорения диафрагмы, будет равна
Fм=мV2/2A = 0,411•10,22/2•0,25 = 85,5 кг•м/сек2 = 8,5 кг.
Для двух диафрагм сила, естественно, удваивается 2Fм=2•8,5=17 кг. Таким образом, суммарная сила, действующая на диафрагмы махового движителя с площадью проходного сечения 1 м2, равна Fи+2Fм=89+17=106 кг.
Известно (например, Брамвелл А. Р. С. Динамика вертолетов.- М.: Машиностроение, 1982, с. 76-80), что на создание индуктивного потока затрачивается примерно 60% всей мощности силовой установки вертолета. Остальные 40% идут на преодоление профильного сопротивления лопастей, на потери в трансмиссии, на работу рулевого винта. Мощность, необходимая для создания индуктивного потока, равна Nи=TVи. Приравнивая величину тяги T к полетному весу и принимая площадь несущей поверхности равной 1 м2, получаем T=Pк. Таким образом, Nи=TVи=PкVи= 250•10,2=2550 Вт. Полная мощность, как легко видеть, равна 4250 Вт. Потери составляют 1700 Вт.
Однако в диафрагменном способе отбрасывания потока выполняется еще работа по ускорению массы диафрагм, на которую приходится сила в 17 кг. Так как ускорение воздушной среды, на которую действует сила в 89 кг, и ускорение масс диафрагм, на которые действует сила в 17 кг, это работа одного рода, представляется допустимым считать, что расходуемые на ее выполнение мощности пропорциональны действующим при этом силам. Следовательно, силе в 17 кг, действующей на массу двух диафрагм, будет сопоставлена мощность в 487 Вт. Таким образом, диафрагменный способ требует не 4250 Вт, а 4737 Вт на 1 м2, т. е. на 11% больше, и удельная мощность его будет не 17 Вт/н, как в винтовом варианте, а 19 Вт/н. Но в диафрагменном варианте, в свою очередь, отсутствуют такие, например, потери, как потери на работу рулевого винта или на обдувку вертолета, которые составляют порядка 10%, что устраняет различия в удельных затратах мощности. Таким образом, заявляемый маховой диафрагменный движитель вполне конкурентоспособен винтовому способу обеспечения вертикального полета.
Конструктивных аналогов летательному аппарату с двумя видами несущих плоскостей с маховыми движителями для выполнения вертикальных взлета и посадки и горизонтального полета и самолетных крыльев для улучшения условий горизонтального полета и обеспечения его безопасности не найдено.
Функциональными аналогами заявляемому летательному аппарату являются вертолет и самолет. Наиболее близким аналогом является вертолет /энциклопедия "Авиация". - М.: Большая российская энциклопедия, 1994, с. 130, "Вертолеты"/.
Заявляемое техническое решение от известного технического решения отличается следующими признаками:
1. Вертикальная тяга создается неподвижными несущими плоскостями с маховыми диафрагменными движителями. Отбрасывание воздушного потока производится колеблющимися в вертикальной плоскости маховыми диафрагмами, а не вращающимися в горизонтальной плоскости несущими винтами.
2. Горизонтальная тяга возникает вследствие придания среднему углу колебаний маховых диафрагм положительных или отрицательных значений.
3. В горизонтальном полете подъемная сила создается также соединяющими аэродинамические ребра маховых несущих плоскостей крылообразными перемычками, расположенными вдоль их передней и задней кромок. В принципе при прямом среднем положительном угле колебаний маховых диафрагм возможен горизонтальный полет за счет подъемной силы, создаваемой только крылообразными перемычками. Как следствие из этой особенности махового самолета вытекает возможность, например, удвоения его грузоподъемности при взлете с разбега, когда подъемная сила будет создаваться как маховыми плоскостями, так и крылообразными перемычками.
4. При малых или нулевой скоростях, когда обычные рули теряют эффективность, повороты махового самолета осуществляются активным хвостовым оперением, отличающимся тем, что подвижные части рулей колеблются с определенной частотой. Для устранения вибраций каждая подвижная часть содержит некоторое число плоскостей, причем равные по площади плоскости колеблются в противофазе.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание легких воздушно-транспортных средств широкого применения, не требующих специально подготовленных взлетно-посадочных площадок.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что несущие плоскости летательного аппарата выполнены в виде отдельных лонжеронов, соединенных сквозными аэродинамическими ребрами таким образом, что образуют решетчатую конструкцию, в ячейках которой расположены маховые диафрагменные движители, связанные с колебательным приводом, диафрагмы которых имеют попарно противофазный режим колебаний, а аэродинамические ребра в верхней части соединены крылообразными перемычками, расположенными, например, на стойках. Управление летательным аппаратом осуществляется с помощью активного хвостового оперения, состоящего из вертикальных и горизонтальных рулей, подвижные части которых выполнены в виде некоторого числа плоскостей, связанных с колебательным приводом таким образом, что две или большее число равных по площади плоскостей колеблются в противофазе, что обеспечивает высокую эффективность хвостового оперения на малых или нулевой скоростях, т.е. в режиме висения.
На фиг. 5, 6, 7 представлен возможный облик махового самолета. Он состоит из фюзеляжа, несущих маховых и неподвижных плоскостей и хвостового оперения. Несущие плоскости состоят из лонжеронов 7, соединенных сквозными аэродинамическими ребрами 2 с установленными на них маховыми движителями, и крылообразных перемычек 1, представляющих собой обычные самолетные крылья, закрепленные на стойках или непосредственно на аэродинамических ребрах. В ячейках решетчатой конструкции, образованной лонжеронами 7 и аэродинамическими ребрами 2, расположены, например, в два ряда маховые диафрагменные движители, приведенные на фиг. 1, 2, 3.
Маховая часть несущих плоскостей, состоящая из маховых движителей, может работать в трех режимах. При среднем угле атаки маховых диафрагм, равном нулю, и поднятых заслонках 8 задней стенки маховых движителей, как показано на фиг. 1, отбрасываемый поток направляется только вниз и возникает только подъемная сила. В зависимости от ее величины маховой самолет будет либо набирать высоту, либо снижаться, либо зависать.
При положительном среднем угле атаки маховых диафрагм и откинутых заслонках 8 задней стенки маховых движителей, как показано на фиг. 2, воздушный поток отбрасывается вниз и назад, что приводит к возникновению подъемной и пропульсивной составляющих аэродинамической силы, причем вектор пропульсивной составляющей будет направлен вперед. При увеличении среднего положительного угла атаки маховых диафрагм пропульсивная сила будет возрастать, что приведет к увеличению скорости горизонтального полета махового самолета.
При отрицательном среднем угле атаки маховых диафрагм, откинутых верхних и поднятых нижних заслонках 8, как показано на фиг. 3, отбрасываемый поток направляется вниз и вперед, что также приводит к возникновению подъемной и пропульсивной сил, однако вектор пропульсивной силы будет иметь обратный знак и маховой самолет в горизонтальном полете будет перемещаться назад.
Маховая часть несущих плоскостей, как показано на фиг. 6, состоит из 20 маховых движителей с площадью проходного сечения 0,5 м2 /размеры диафрагмы 0,5x1,0 м/. Общая площадь маховых плоскостей составляет, таким образом, 10 м2. Если принять нагрузку Pк=250 н/м2, то подъемная сила махового самолета составит порядка 250 кг. Очевидно, что подъемную силу можно увеличить либо простым увеличением площади маховых плоскостей, либо повышением нагрузки Pк, либо и тем и другим. Повышение нагрузки Pк в два раза позволит увеличить подъемную силу маховых плоскостей также вдвое, т.е. до 500 кг. При этом скорость отбрасывания потока увеличится до 14,3 м/с, а частота колебаний диафрагм до 28 Гц, индуктивная мощность будет равна 71,5 кВт, а полная мощность - 119 кВт /162 л.с./. Размах несущих плоскостей, естественно, останется равным 6,0 м при такой же, примерно, длине фюзеляжа.
Следует отдельно отметить, что в заявляемом техническом решении заложена потенциальная возможность удвоения подъемной силы за счет изменения режима взлета. Эта потенциальная возможность связана с наличием в составе несущих плоскостей крылообразных перемычек 1 (фиг. 1, 6, 8) и реализуется при взлете с разбега, когда подъемная сила создается одновременно как маховой частью несущих плоскостей, так и крылообразными перемычками, которые конструктивно выполнены как обычные самолетные крылья, имеющие одинаковую с маховой частью плоскостей несущую способность. В этом случае при некотором увеличении индуктивной мощности с целью компенсации пропульсивной составляющей взлетный вес представленного на фиг. 5, 6, 7 махового самолета может достигнуть 1000 кг, что приравнивает его к самолетам авиации общего назначения сопоставимого класса.
Некоторые полетные характеристики рассматриваемого варианта махового самолета могут выглядеть следующим образом. Если вес пустого самолета уложить в 350 кг /70%/, на полезный груз, включая топливо, придется 150 кг /30%/. Требования, конечно, жесткие, но выполнимые, если в конструкции использовать композиционные материалы и современные двигатели. При вертикальном взлете полезный груз будет выглядеть в виде одного человека /пилота/ с багажом и трехчасового запаса топлива. Однако при взлете с разбега величина полезного груза увеличивается до 650 кг и вес пустого самолета теперь будет составлять только 35% от его взлетного веса.
Изобретение - хвостовое оперение с колеблющимися подвижными частями для летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой относится к области технических средств управления авиационной техникой.
Известно хвостовое оперение /там же: с. 392, Хвостовое оперение/ для управления самолетом, содержащее неподвижные киль и стабилизатор и их подвижные части: руль поворота и руль высоты.
Недостатком известного технического решения является его неэффективность на малых или нулевой скоростях полета. Вместе с тем эти режимы на начальном и конечном этапах полета являются основными.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой эффективности управления летательным аппаратом с вертикальным взлетом и посадкой на малых или нулевой скоростях полета.
Указанный технический результат достигается тем, что подвижным частям хвостового оперения придаются колебания определенной амплитуды и частоты. Хвостовое оперение /фиг. 5 и 6/ состоит из неподвижных киля 16 и стабилизаторов 18 и подвижных руля поворота 15 и руля высоты 17. Подвижные плоскости рулей связаны с колебательным приводом. На малых или нулевой скоростях при вертикальном взлете, посадке или висении, когда обычные рули поворота и высоты неэффективны, подвижные плоскости 15 и 17 при повороте на определенный угол производят колебания, частота которых может быть либо постоянной, либо связанной со скоростью полета махового самолета такой, например, зависимостью: чем меньше горизонтальная скорость, тем больше частота колебаний.
Для устранения вибраций каждая подвижная часть рулей выполнена из некоторого числа независимых плоскостей, связанных с колебательным приводом таким образом, что равные по площади плоскости колеблются в противофазе.
Изобретение относится к области летательных аппаратов со свойствами самолета и вертолета. Указанный технический результат достигается применением в движителе, например, двух противофазно колеблющихся маховых диафрагм с обратными клапанами с выходной стороны, шарнирно закрепленных одним краем на корпусе, образуемом, например, лонжеронами крыла и сквозными аэродинамическими ребрами, причем задние стенки корпуса выполнены откидывающимися. Несущая маховая плоскость образуется маховыми движителями, многорядно продольно-поперечно расположенными в ячейках решетчатой конструкции, образуемой лонжеронами и сквозными аэродинамическими ребрами. Режимы полета определяются изменением среднего угла атаки маховых диафрагм и положением откидывающихся заслонок задней стенки. В горизонтальном полете подъемная сила обеспечивается также крыльями, выполненными в виде перемычек между аэродинамическими ребрами и расположенными так, чтобы не препятствовать захвату и отбрасыванию маховыми диафрагмами воздушного потока. Крылья разгружают в горизонтальном полете маховые движители и обеспечивают полную безопасность полета в случае останова двигателя. Управление маховым самолетом осуществляется активным хвостовым оперением, подвижные части которого выполнены колеблющимися, что обеспечивает эффективность управления на малых и нулевой в режиме висения скоростях. Техническим результатом изобретения является создание эффективных воздушных движителей с подъемной и пропульсивной составляющими и на их базе летательных аппаратов со свойствами самолета и вертолета без применения воздушных винтов. 4 с.п. ф-лы, 7 ил.
| Движитель для летательных аппаратов | 1927 |
|
SU8237A1 |
| Свищев Г.П | |||
| Авиация | |||
| Энциклопедия | |||
| - М.: из-во БРЭ ЦАГИ, 1994, с.130, 392. | |||
