МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫСОКОМАНЕВРЕННЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ Российский патент 1999 года по МПК B64C29/00 

Изобретение относится к авиационной технике, содержит ряд принципиально новых технических решений и может быть использовано при проектировании и отработке различных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки.

Предлагаемый летательный аппарат предназначен для решения широкого круга задач народнохозяйственного, научного и военного значений.

В настоящее время известно большое число различных схемных и конструктивных решений, используемых при создании летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, однако всем им присуща определенная и узкая целенаправленность. Все они, как правило, предназначены для выполнения каких-то определенных функций, решения конкретных задач в определенных условиях. Отсутствие возможности широкого их использования для разных целей в различных условиях влечет за собой неоправданно большие затраты на разработку и создание разнообразных летательных аппаратов. Кроме того из-за ограниченного времени целевого использования аппаратов не обеспечивается их окупаемость, усложняется эксплуатация и техническое обслуживание, не обеспечивается установленный уровень надежности.

Это не относится к широко известным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки классических традиционных схем, то есть к самолетам вертикального вздета и посадки и вертолетам, которые в настоящее время достигли высокого технического совершенства и находят широкое применение в различных областях деятельности людей.

Известны, например, различные типы самолетов вертикального взлета и посадки от боевых высокоскоростных самолетов-истребителей /см. В.Ф. Павленко. Самолеты вертикального взлета и посадки, Воениздат МО СССР, М., 1966 г., стр. 54-72/ до транспортных тихоходных самолетов, предназначенных для перемещения по воздуху различных грузов в отсеках самолета или на внешней подвеске /см. там же/.

Известны различные типы вертолетов /см. Ю.С. Богданов и др. Конструкция вертолетов, М., Машиностроение, 1990 г., стр. 3-13/. Вместе с тем существует много технических проектов и реально эксплуатируемых летательных аппаратов нетрадиционных схем типа дископланов, "летающих тарелок", летающих платформ и пр., которые не нашли широкого применения из-за присущих им упомянутых выше недостатков.

Известно, что для обеспечения вертикального взлета и посадки аппарата необходимо с помощью его силовой установки создать вертикальную составляющую тяги, равную или несколько большую массы летательного аппарата, то есть тяговооруженность летательного аппарата /отношение суммарной тяги его силовой установки к массе аппарата/ должна быть равна единице /100%/ или несколько больше единицы /больше 100%/.

Для самолетов обычных традиционных схем силовая установка нужна для создания силы тяги, обеспечивающей поступательное его движение, а подъемная сила создается несущей поверхностью-крылом. Эта сила пропорциональна квадрату скорости полета и в горизонтальном полете равна массе самолета.

Тяговооруженность обычных самолетов может быть существенно меньше единицы и составлять всего 20-40 процентов. Так как тяга двигателей пропорциональна расходу топлива, то совершенно очевидно, что повышение тяговооруженности, то есть создание летательного аппарата вертикального взлета и посадки неизбежно связано со снижением грузоподъемности и транспортных возможностей самолета. Это вызывает необходимость поиска путей создания новых летательных аппаратов, повышения их грузоподъемности и экономичности. Одним из таких путей является совершенствование существующих летательных аппаратов путем снижения их массы за счет применения легких композиционных материалов, выбора оптимальных конструктивных схем, применения новых экономичных двигателей. Другим путем является разработка новых нетрадиционных схем и конструкций с использованием уже известных положительных свойств летательных аппаратов тяжелее воздуха и свойств летательных аппаратов легче воздуха.

Известен, например, дискообразный летательный аппарат вертикального взлета и посадки /см. Патент США N 3 614 030, кл. B 64 D 27/02, 1969 г./, содержащий большое количество двигателей, установленных в колодцах по периферии дискообразного корпуса, обеспечивающих взлет, посадку и горизонтальный полет аппарата. Однако известный летательный аппарат отличается низкой маневренностью, малой грузоподъемностью, трудностью в пилотировании, что ограничивает возможности его использования. Кроме того, известный аппарат не позволяет поднимать и перевозить крупногабаритные грузы в вертикальном их положении, например ракеты, мачты линий электропередач, трубы и пр. Пилотирование такого аппарата затруднено из-за ограниченности управляющих усилий, создаваемых отклонением газовых струй за двигателями.

Известен также дискообразный летательный аппарат легче воздуха (см. Авт. св. СССР N 687728, кл. B 64 B 1/58, 1976 г.), снабженный по периферии газотурбинными двигателями с управляемыми соплами и центральным грузовым отсеком, обеспечивающим подъем и транспортировку крупногабаритных грузов в вертикальном положении. Недостатками известного летательного аппарата являются: ограниченная грузоподъемность и низкая маневренность из-за большой парусности и слабых управляющих усилий, трудность пилотирования и ограниченность применения.

Известен торообразный летательный аппарат тяжелее воздуха с винтовым движителем, расположенным в центре (см. патент США N 5 152 478, кл. B 64 C 29/00, 1990 г. ). Аппарату присущи те же недостатки: низкая маневренность, невысокая и ограниченная грузоподъемность, сложность пилотирования и неудобство эксплуатации. Центральная часть тора занята несущим винтом и не может быть использована для размещения грузов.

Известен летательный аппарат тяжелее воздуха типа "летающая тарелка-платформа", снабженный шарнирно установленными по периферии реактивными двигателями, создающими не только усилия для подъема и перемещения летательного аппарата в воздухе, но и значительные управляющие усилия (см. заявку Франции N 2 104 709, кл. B 64 C 29/00, 1972 г.). При улучшенной управляемости этому аппарату присуща низкая и ограниченная грузоподъемность и многие из упомянутых выше недостатков.

Известен летательный аппарат легче воздуха, выполненный в виде кольцевого крыла, в корпусе которого размещены несколько турбопрямоточных двигателей, снабженных несущими винтами (см. Патент РФ N 2070143, кл. B 64 C 39/06, 1996 г.). В полостях крыла известного летательного аппарата размещены топливные емкости, грузовые и пассажирские отсеки, кабина пилотов и другие устройства. Центральное пространство кольцевого крыла может использоваться для размещения крупногабаритных грузов в вертикальном положении, например ракет. Однако, горизонтальный полет такого аппарата, с вертикальным грузом в момент старта осуществляется при его горизонтальном положении, что неизбежно ведет к усложнению системы крепления груза, нарушению вантовой подвески, вызывает необходимость применения форменных элементов крепления, а значит к существенному увеличению общей массы и ограничению грузоподъемности. Управление таким аппаратом осуществляется за счет изменения тяги двигателей, что затрудняет пилотирование и снижает маневренность.

Известен также летательный аппарат легче воздуха (см. Евр. патент N 0201309 A2, кл. B 64 B 1/00, 1986 г.). Это наиболее близкий аналог, принятый за прототип. Аппарат представляет собой торообразное тело, наполненное гелием. В центре корпуса аппарата на перекладине установлен один или два движителя, обеспечивающих управление аппаратом по вертикали. На корпусе снаружи установлены боковые газотурбинные двигатели, обеспечивающие горизонтальный полет и управление по курсу. Возможно также размещение двигателей на подвесной платформе с возможностью поворота их для управления полетом.

Известному летательному аппарату присущи те же недостатки: ограниченная грузоподъемность главным образом по габаритам, трудность пилотирования из-за большой парусности, что усложняет эксплуатацию, низкая маневренность и надежность.

Целью настоящего изобретения является создание принципиально нового комбинированного высокоманевренного летательного аппарата с широким спектром возможностей его применения, высокой эффективностью и эксплуатационной технологичностью.

В отличие от прототипа предлагаемый летательный аппарат представляет дискообразное тело, корпус которого выполнен в виде тора, центральное пространство которого может быть закрыто выпуклой сверху и вогнутой снизу несущими поверхностями. Предлагаемый летательный аппарат является аппаратом тяжелее воздуха, но облегченным за счет использования легкого газа - носителя, например, гелия. В зависимости от варианта загрузки летательного аппарата свободные его грузовые отсеки, в том числе и центральное пространство тора, снабжены легкими эластичными емкостями, заполняют легким газом, что приводит к уменьшению массы конструкции аппарата и повышает его грузоподъемность.

Другой важной особенностью предлагаемого летательного аппарата является его силовая установка, включающая не менее шести автономных взаимозаменяемых поворотных энергоблоков, выполненных в виде цилиндров, шарнирно установленных в радиальных нишах корпуса летательного аппарата. Каждый энергоблок снабжен поворотной относительно его радиуса платформой, на которой установлены два реверсивных с поворотными соплами газотурбинных двигателя, а также емкостями для топлива, дополнительными электроприводами блоков, системой дифференциального управления работой двигателей и поворотом платформы относительно радиуса энергоблока, а также самого энергоблока относительно корпуса летательного аппарата.

Торообразный корпус летательного аппарата снабжен секционными съемными верхней выпуклой и нижней вогнутой несущими поверхностями, закрывающими внутреннее пространство тора. Таким образом внешне при закрытом внутреннем пространстве тора аппарат представляет собой симметричное дискообразное тело вращения. Такое тело при движении в воздухе под углом к горизонту (под углом атаки) работает как дисковое крыло и создает подъемную силу. Реализация этого условия позволяет уменьшать тяговооруженность аппарата в полете путем дросселирования или даже выключения отдельных двигателей и повышать его экономичность.

В отличие от прототипа конструктивно летательный аппарат состоит из жесткого торообразного корпуса, в радиальных проемах которого установлены поворотные энергоблоки. Внутреннее пространство тора используется для размещения вертикальных крупногабаритных грузов или же легкой эластичной емкости для несущего газа, когда грузы размещают в грузовых отсеках тора или на внешней вантовой подвеске. В этом случае центральная полость тора с емкостью для легкого газа, например гелия, закрывается верхней и нижней несущими поверхностями, что улучшает аэродинамику летательного аппарата, уменьшает расход топлива и увеличивает дальность полета. Если же летательный аппарат используется для подъема и перемещения грузов на небольшие расстояния или для выполнения крановых, монтажных работ, его верхняя и нижняя поверхности снимаются, центральное пространство тора используется для размещения груза, а грузовые отсеки тора, снабженные легкими эластичными емкостями, заполняются легким газом.

Летательный аппарат снабжен двумя пилотскими кабинами, органами управления и органами приземления. Пилотские кабины идентичны, снабжены дублированными системами управления, сообщены между собой кольцевыми каналами для прохода членов экипажа и обеспечивают возможность управления аппаратом из одной из кабин и корректировку его из другой кабины. Этим обеспечивается точность приземления, облегчается прием и выгрузка грузов, перевозимых на внешней подвеске, обеспечивается контроль за всеми операциями в экипажа в полете и за положением аппарата в пространстве. Система управления включает гиростабилизированную платформу, обеспечивающую стабилизацию летательного аппарата в воздухе, автоматическое управление элементами силовой установки и режимами полета аппарата. Автоматически управляемые органы приземления, выполненные в виде телескопических опорных штанг, обеспечивают плавную посадку аппарата не только на горизонтальную, но и на наклонную до 30 градусов поверхность. Более того, отсутствие механизмов в нижней части аппарата и разъемов тора позволяет производить посадку аппарата на водную поверхность, что особенно важно при использовании аппарата в пожарном варианте, когда для транспортировки воды используются подвесные контейнеры, а время для наполнения контейнеров водой крайне ограничено.

Для транспортировки аппарата в технических целях по аэродрому под опорные штанги могут устанавливаться специальные аэродромные тележки и использоваться аэродромные машины.

Техническая сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг. 1 - конструктивная схема летательного аппарата в стояночном положении, вид спереди;
на фиг. 2 - то же, вид сверху, половина верхней несущей поверхности снята;
на фиг. 3 - торообразный корпус летательного аппарата без поворотных энергоблоков, вид сверху, верхняя несущая поверхности условно снята;
на фиг. 4 - вид по А-А на фиг. 3;
на фиг. 5 - вид по В-В на фиг. 3;
на фиг. 6 - вид по Б-Б на фиг. 3;
на фиг. 7 - летательный аппарат с вертикальным грузом в стояночном положении;
на фиг.8 - летательный аппарат с грузом на внешней /вантовой/ подвеске в полете.

Изображенный на упомянутых выше фигурах многофункциональный высокоманевренный летательный аппарат вертикального взлета и посадки включает жесткий облегченный торообразный корпус 1 с радиальными проемами /нишами/ 2, поворотные относительно осей I-I энергоблоки 3 с поворотными относительно радиусов платформами 4, на которых закреплены спаренные реверсивные газотурбинные двигатели 5 с поворотными соплами. Все энергоблоки одинаковы и взаимозаменяемые, что удешевляет производство и облегчает эксплуатацию. Внутри энергоблоков размещены емкости для топлива, дополнительные электроприводы, а также элементы системы дифференциального управления работой двигателей и поворотом платформы относительно радиуса энергоблока и энергоблока относительно оси I-I. Корпус летательного аппарата снабжен секционными съемными верхней 6 выпуклой и нижней 7 вогнутой несущими поверхностями, закрывающими при необходимости внутреннее пространство торообразного корпуса. Полости торообразного корпуса 1, образовавшиеся между нишами 2, использованы для устройства грузовых отсеков 8, передней 9 и задней 10 пилотских кабин и такелажного оборудования. Грузовые отсеки снабжены легкосъемными полами 11 и откидными люками 12 с грузовыми рампами 13. В центральном пространстве тора установлена цилиндрическая шахта 14, включенная в силовую систему корпуса аппарата и обеспечивающая вантовую подвеску грузов. Для этого на стенках шахты имеются крепежные устройства 15, обеспечивающие жесткую /см. фиг.7/ и вантовую наружную /см. фиг. 8/ подвески и автоматический сброс грузов.

Внутреннее пространство между тором 1 и стенками цилиндрической шахты 14 использовано для размещения кольцевых силовых элементов конструкции, силовых отсеков 16 и 17 и кольцевого канала 18, обеспечивающего сообщение между передней 9 и задней 10 пилотскими кабинами, а также свободный доступ к элементам различных систем, расположенным в силовых отсеках 16 и 17. В этих отсеках размещается также оборудование и устройства для торможения и фиксации поворотных энергоблоков 3. В силовых отсеках 16 и 17 размещены также передняя 18 и задняя 19 выдвижные телескопические штанги - органы приземления. Снаружи верхнего силового отсека 16 расположен кольцевой силовой элемент 20, обеспечивающий также установку и фиксацию верхней несущей поверхности 6. На усиленных стенках радиальных ниш 2 выполнены подшипниковые опоры для установки поворотных энергоблоков 3.

Длина телескопических штанг 18 и 19 при выдвижении автоматически фиксируется при встрече с препятствием, что обеспечивает посадку аппарата на наклонную поверхность, а герметичный корпус тора при убранных органах приземления позволяет осуществлять посадку аппарата на водную поверхность.

Работа аппарата в основном сводится к подъему и транспортировке по воздуху различных грузов 21,22. При этом могут иметь место различные варианты его загрузки и различные варианты использования. Если необходимо перевезти малогабаритные грузы на большое расстояние, то часть грузовых отсеков тора заполняется грузами, а оставшаяся часть грузовых отсеков при снятых полах 11 и центральное пространство тора снабжаются легкими эластичными емкостями 23, 24, заполняемыми легким газом. Устанавливаются верхняя 6 и нижняя 7 несущие поверхности и летательный аппарат способен перевозить в этом варианте груз на максимальное расстояние. Если необходимо перевозить большие грузы на небольшое расстояние, например, перевозка ракет или многократные воздушные рейсы с подвесными емкостями с водой для тушения крупных пожаров /см. фиг. 7 и 8/, то все грузовые отсеки тора освобождаются от полов 11 и заполняются легким несущим газом, причем при транспортировке грузов большой массы, например контейнеров с водой для тушения пожара /фиг.8 / на вантовой подвеске, свободное центральное пространство тора также может быть использовано для размещения емкости с легким несущим газом.

Могут быть и другие в зависимости от ситуации варианты применения и использования летательного аппарата, когда требуется большая подъемная сила, высокая маневренность в полете с грузом, безаэродромное базирование и работа на неподготовленных площадках.

Абсолютные размеры аппарата будут определяться его силовыми возможностями, суммарной тягой двигателей и потребными массами грузов.

Аппарат содержит корпус дискообразной формы, имеющий полости, заполняемые несущим газом, и грузовые отсеки, силовую установку, переднюю кабину экипажа, систему управления и органы приземления, причем он снабжен задней кабиной экипажа, эластичными, убирающимися емкостями для несущего газа, корпус образован тором, верхней выпуклой и нижней вогнутой несущими поверхностями, закрывающими центральную полость, расположенную внутри тора, который выполнен с радиальными нишами. Силовая установка включает не менее шести автономных энергоблоков, каждый из которых имеет два реактивных двигателя, выполненных с возможностью реверса тяги и установленных на поворотных платформах, емкости для топлива, систему дифференцированного управления режимами двигателей, а также положением энергоблока относительно указанного корпуса и платформы с указанными двигателями относительно энергоблока, при этом органы приземления выполнены в виде выдвижных автоматически фиксируемых телескопических штанг. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности по перемещению различных видов груза. 2 з. п.ф-лы, 8 ил.

1. Многофункциональный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий корпус дискообразной формы, имеющий полости, заполняемые несущим газом и грузовые отсеки, силовую установку, переднюю кабину экипажа, систему управления и органы приземления, отличающийся тем, что он снабжен задней кабиной экипажа, эластичными убирающимися емкостями для несущего газа, корпус образован тором, верхней выпуклой и нижней вогнутой несущими поверхностями, закрывающими центральную полость, расположенную внутри тора, который выполнен с радиальными нишами, при этом отношение расстояния от центра окружности, образующей поверхность тора, до вертикальной оси тора составляет не менее трех радиусов указанной окружности, силовая установка включает не менее шести автономных взаимозаменяемых установленных на подшипниковых опорах энергоблоков, каждый из которых имеет два реактивных двигателя, выполненных с возможностью реверса тяги и установленных на поворотных платформах, емкости для топлива, систему дифференцированного управления режимами двигателей, а также положением энергоблока относительно указанного корпуса и платформы с указанными двигателями относительно энергоблока, при этом органы приземления выполнены в виде выдвижных автоматически фиксируемых телескопических штанг. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что указанный корпус выполнен в виде набора горизонтальных круговых и радиальных силовых элементов, сопряженных с обшивкой, в центре указанного корпуса расположена цилиндрическая шахта, закрытая указанными несущими поверхностями, при этом нижняя часть указанного корпуса выполнена герметичной для посадки на воду. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен датчиками контакта с твердой поверхностью и тремя органами приземления, каждый из которых выполнен в виде телескопической штанги, автоматически фиксируемой по сигналам указанных датчиков.