ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ Российский патент 2001 года по МПК B64C29/04 B64C39/00 

Изобретение относится к летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой с использованием реактивного двигателя. Изобретение может быть использовано для транспортировки различных грузов и при выполнении работ, при которых не допускается создание струи газа или потока воздуха в пространстве ниже летательного аппарата и его несущей аэродинамической поверхности.

Известен летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, содержащий круглую в плане неподвижную выпуклую вверх несущую аэродинамическую поверхность и кольцевое крыло вокруг этой поверхности, которые обдуваются струей от реактивного двигателя, сопловый аппарат размещен в центральной части несущей аэродинамической поверхности и выполнен в виде кольцевой щели, при этом подъемная сила создается за счет того, что над аэродинамической поверхностью образуется газовоздушный поток и искривляется направление его движения вниз в пространство ниже летательного аппарата (см. патент США N 2547266, кл. 244-12, 1951 г.).

У этого летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой газовоздушная струя после обдува выпуклой неподвижной несущей аэродинамической поверхности и кольцевого крыла имеет направленную вниз составляющую, что приводит к образованию вокруг и ниже летательного аппарата газовоздушной завесы, препятствующей свободному доступу со стороны к летательному аппарату, и созданию газовоздушной смеси в пространстве ниже аэродинамической поверхности вокруг летательного аппарата.

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленному изобретению является устройство для создания подъемной силы, содержащее установленные на корпусе круглую в плане аэродинамическую поверхность, верхняя часть которой выполнена в виде горизонтальной несущей плоскости, реактивный двигатель, сопловый аппарат которого выполнен с кольцевой щелью, которая размещена с уступом над средней частью упомянутой плоскости так, что круговая газовая струя входит в соприкосновение только в периферийной части с упомянутой плоскостью (патент США N 5031859, B 64 C 29/00, 1991).

У этого устройства для создания подъемной силы газовая струя из сопла реактивного двигателя после прохождения в радиальных направлениях над верхней поверхностью горизонтальной несущей плоскости за ее круговой кромкой производит эжектирование воздуха из-под упомянутой плоскости. В связи с этим под указанной плоскостью создаются потоки воздуха в радиальных направлениях от центра к периферии и снизу вверх к нижней поверхности упомянутой плоскости. Ускорение массы воздуха снизу вверх связано с проявлением сил, противодействующих подъемной силе, создаваемой упомянутым устройством.

Предлагаемое изобретение в виде летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой обеспечивает достижение технического результата, который заключается в увеличении подъемной силы, создаваемой упомянутым летательным аппаратом, за счет устранения возможности эжектирования воздуха из под горизонтальной несущей плоскости. Одновременно с этим обеспечивается автоматическое улучшение равновесного положения и устойчивости летательного аппарата во время его поступательного движения. При этом осуществляется способ полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки путем использования особенностей обдувания упомянутой плоскости газовой струей от применяемого в предложенном летательном аппарате реактивного двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой содержит установленные на корпусе круглую в плане аэродинамическую поверхность, верхняя часть которой выполнена в виде горизонтальной несущей плоскости, реактивный двигатель, сопловый аппарат которого выполнен с кольцевой щелью, которая размещена с уступом над средней частью упомянутой плоскости так, что круговая газовая струя входит в соприкосновение только в периферийной части с упомянутой плоскостью. Согласно изобретению ниже и вокруг упомянутой плоскости установлена перегородка с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к упомянутой плоскости, при этом указанная перегородка предназначена для отделения образованного газовой струей газовоздушного потока от пространства под упомянутой плоскостью посредством исключения возможности эжектирования воздуха из-под упомянутой плоскости.

Отдельные участки периферийной части упомянутой плоскости выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков, расположенных под струей газа, вытекающего из соплового аппарата реактивного двигателя, и под образованным этой струей горизонтальным газовоздушным потоком. Указанные закрылки имеют отдельные органы управления, предназначенные для отклонения вниз части газовоздушного потока после прохождения над верхней частью указанной горизонтальной несущей плоскости путем поворота упомянутых закрылков.

Летательный аппарат снабжен вертикальными аэродинамическими пластинами газовых рулей, которые установлены на поверхности несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра упомянутой плоскости с возможностью независимого поворота относительно упомянутых осей пластин рулей.

Сопловый аппарат реактивного двигателя выполнен в виде канала с конусообразной внутренней поверхностью, образующей воронку, ось симметрии которой размещена вертикально, а образующие упомянутой конусообразной поверхности имеют выпуклую в сторону упомянутой оси симметрии форму. В упомянутой воронке с зазором относительно ее стенок установлен направляющий вкладыш в виде конуса, ось симметрии которого совмещена с осью упомянутой воронки, вершина обращена в сторону реактивного двигателя, а образующие боковой конусообразной поверхности имеют вогнутую в сторону оси форму, причем воронка и конус вкладыша на выходе из сопла образуют кольцевую щель с возможностью выхода из нее газовой струи в горизонтальном направлении над упомянутой плоскостью.

Описываемый летательный аппарат осуществляет способ полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки, основанный на создании подъемной силы за счет летательного аппарата, имеющего горизонтальную несущую аэродинамическую плоскость, над которой уменьшают давление и ускоряют массу воздуха в направлении сверху вниз за счет обдува газовой струей из кольцевой щели соплового аппарата реактивного двигателя в центральной части упомянутой плоскости. Упомянутую плоскость обдувают газовой струей из кольцевой щели соплового аппарата реактивного двигателя упомянутого летательного аппарата.

На приведенных фиг. 1 и 2 показано в общем виде в двух проекциях устройство летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой. На фиг. 1 летательный аппарат дан в разрезе фронтальной плоскостью. Короткими стрелками с более толстыми линиями показано направление газовой струи в сопловом аппарате реактивного двигателя и над несущей плоскостью, а длинными стрелками с тонкими линиями - направление движения воздушного потока над несущей плоскостью.

Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой содержит установленную на корпусе 1 круглую в плане аэродинамическую поверхность 2, верхняя часть которой выполнена в виде горизонтальной несущей плоскости 2. В центральной части упомянутой плоскости 2 установлен реактивный двигатель 3, сопловый аппарат которого выполнен с кольцевой щелью 7, которая размещена с уступом 10 над средней частью упомянутой плоскости 2 так, что круговая газовая струя при ее расширении в воздухе входит в соприкосновение с упомянутой плоскостью только в периферийной ее части. При этом вокруг уступа 10 над упомянутой плоскостью 2 образуется пространство 11, перекрываемое сверху газовой струей, вытекающей из кольцевой щели 7 соплового аппарата реактивного двигателя 3.

Ниже и вокруг упомянутой плоскости 2 установлена перегородка 4 с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к упомянутой плоскости 2. При этом указанная перегородка 4 предназначена для отделения образованного газовой струей газовоздушного потока от пространства под упомянутой плоскостью 2 посредством исключения возможности эжектирования воздуха из-под упомянутой плоскости.

Отдельные участки периферийной части упомянутой плоскости 2 выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков 8, расположенных под струей газа, вытекающего из соплового аппарата реактивного двигателя 3, и под образованным этой струей горизонтальным газовоздушным потоком. Указанные закрылки 8 имеют отдельные органы управления, предназначенные для отклонения вниз части газовоздушного потока после прохождения над верхней частью указанной горизонтальной несущей плоскости 2 путем поворота упомянутых закрылков 8.

Летательный аппарат снабжен вертикальными аэродинамическими пластинами газовых рулей 9, которые установлены на поверхности несущей плоскости 2 на вертикальных осях симметрично относительно центра 0 упомянутой плоскости с возможностью независимого поворота относительно упомянутых осей пластин рулей 9.

Сопловый аппарат реактивного двигателя 3 выполнен в виде канала с конусообразной внутренней поверхностью, образующей воронку 5, ось О-О симметрии которой размещена вертикально, а образующие упомянутой конусообразной поверхности имеют выпуклую в сторону упомянутой оси О-О симметрии форму. В упомянутой воронке 5 с зазором относительно ее стенок установлен направляющий вкладыш 6 в виде конуса, ось О-О симметрии которого совмещена с осью О-О упомянутой воронки 5, вершина обращена в сторону реактивного двигателя 3, а образующие боковой конусообразной поверхности имеют вогнутую в сторону оси О-О форму, причем воронка 5 и конус вкладыша 6 на выходе из сопла образуют кольцевую щель 7 с возможностью выхода из нее газовой струи в горизонтальном направлении над упомянутой плоскостью 2.

Совокупность приведенных признаков изобретения обеспечивает осуществление способа полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки, основанного на создании подъемной силы за счет летательного аппарата, имеющего горизонтальную несущую аэродинамическую плоскость 2, над которой уменьшают давление и ускоряют массу воздуха в направлении сверху вниз за счет обдува газовой струей из кольцевой щели 7 соплового аппарата реактивного двигателя 3 в центральной части упомянутой плоскости. При этом упомянутую плоскость обдувают газовой струей из кольцевой щели 7 соплового аппарата реактивного двигателя показанного выше летательного аппарата.

Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой работает следующим образом.

Газовая струя от реактивного двигателя 3 через сопловый аппарат и его кольцевую щель 7 направляется горизонтально равномерно во все стороны радиально от оси О-О соплового аппарата над верхней горизонтальной поверхностью несущей плоскости 2. При этом газовая струя захватывает воздух из пространства над и под этой струей и увлекает его в горизонтальном направлении вдоль несущей плоскости 2. Это приводит к понижению давления воздуха (и газа) в пространстве 11 над несущей плоскостью под газовой струей и к образованию потока воздуха сверху вниз над несущей плоскостью.

Известно, что ускорение любой массы происходит только под действием силы. Следовательно, поток воздуха над несущей плоскостью образуется под действием силы, воздействующей на массу этого воздуха в направлении его ускорения, т. е. в направлении сверху вниз. Согласно третьему закону Ньютона любая сила проявляется только при наличии противодействующей равной по величине и противоположно направленной силы. Этой силой является воздействующая на несущую плоскость 2 суммарная подъемная сила F. Известно, что процесс эжектирования отличается высокой эффективностью в связи с отсутствием движущихся частей, простотой в исполнении при КПД до 40% (см. "Политехнический словарь" под ред. академика А.Ю. Ишлинского, изд. "Советская энциклопедия" М., - 1980, стр. 504 и 605).

Указанное выше понижение давления в пространстве 11 над несущей плоскостью 2 в связи с эжектированием воздуха (и газа) из этого пространства газовой струей, вытекающей из кольцевой щели 7 соплового аппарата, приводит к созданию суммарной подъемной силы F как разности между величиной давления P под несущей плоскостью и пониженным давлением в пространстве 11 над несущей плоскостью.

Известно, что в газовой (воздушной) среде с увеличением скорости ее движения давление понижается и наоборот (см. "Физический энциклопедический словарь" под ред. А.М. Прохорова, М., "Советская энциклопедия", 1984, г., стр. 387-388). Следовательно, в газовоздушном потоке над несущей плоскостью 2 давление будет ниже, чем в неподвижном воздухе под этой плоскостью.

Разность в величинах этих давлений создает подъемную силу F. Неподвижность воздуха под несущей плоскостью 2 обеспечивается применением перегородки 4 с цилиндрической поверхностью, которая исключает возможность эжектирования воздуха из-под несущей плоскости 2 при выходе газовоздушного потока с верхней ее поверхности.

Помимо указанных выше трех причин создания подъемной силы она возникает также в связи с меньшей плотностью нагретой газами от реактивного двигателя газовоздушной среды над несущей плоскостью 2 по сравнению с более высокой плотностью более холодного воздуха под этой несущей плоскостью.

Сошедшая с несущей плоскости 2 смесь газа от реактивного двигателя и воздуха имеет более высокую температуру и меньшую плотность по сравнению с окружающим воздухом, а поэтому направленный горизонтально газовоздушный поток за пределами несущей плоскости 2 поднимается вверх. Это обеспечивает достижение одной из основных целей изобретения - отсутствие направленного вниз потока газов и воздуха в пространстве ниже несущей плоскости 2.

Летательный аппарат обеспечивает осуществление двух режимов полета: первый - вертикальный взлет и посадка, а также неподвижное парение в воздухе и второй режим полета - поступательное движение.

Описание первого режима полета приведено выше. Он применяется при нахождении летательного аппарата на поверхности земли или в воздухе на малой высоте.

Второй режим полета применяется после подъема летательного аппарата на определенную высоту, когда направление вниз части газовоздушного потока не имеет значения. Сила тяги в горизонтальном направлении создается при повороте закрылка 8 на некоторый угол α с отклонением вниз части газовоздушного потока. При этом возникает сила лобового сопротивления закрылка газовоздушному потоку. Эта сила является силой горизонтальной тяги, действующей в направлении, в котором располагается данный закрылок от центра 0 несущей плоскости 2. В связи с тем, что закрылок 8 в этом случае отклоняет часть газовоздушного потока вниз, создается дополнительная подъемная сила, действующая на данный закрылок. Эта дополнительная подъемная сила компенсирует уменьшение подъемной силы на части несущей плоскости 2, обращенной в сторону полета, поскольку встречный поток воздуха приводит к уменьшению скорости газовоздушного потока и соответственно подъемной силы на указанной стороне несущей плоскости и увеличивает как скорость газовоздушного потока, так и подъемную силу на противоположной направлению полета стороне несущей плоскости. Этим обеспечиваются равновесное положение и устойчивость летательного аппарата относительно вертикали во время его поступательного движения.

Повороты летательного аппарата, а также его поступательное перемещение преимущественно на малой высоте производятся при помощи вертикальных аэродинамических пластин газовых рулей 9, установленных в газовоздушном потоке на верхней поверхности несущей плоскости на вертикальных осях с возможностью независимого друг от друга поворота этих пластин газовых рулей 9 в обоих направлениях на определенный угол β. При повороте упомянутых пластин газовых рулей 9 в одном направлении они отклоняют часть газовоздушного потока в одну сторону по окружности и обеспечивают поворот летательного аппарата в противоположном направлении. При повороте на осях диаметрально противоположно размещенных относительно центра 0 несущей плоскости упомянутых пластин газовых рулей 9 в противоположные стороны они совокупно создают газовоздушный поток в одном направлении и при этом обеспечивают создание тяги в горизонтальном направлении.

При указанном режиме полета без применения закрылка 8, а только с использованием упомянутых пластин газовых рулей 9 создается также дополнительная тяга в горизонтальном направлении за счет наклона вперед несущей плоскости в связи с указанным выше меньшим приложением подъемной силы на обращенную в сторону полета часть несущей плоскости 2 по сравнению с противоположной ее половиной. Указанное явление известно и используется у винтокрылых вертолетов.

Возможно также одновременное применение закрылка 8 и упомянутых пластин газовых рулей 9 для создания тяги в горизонтальном направлении.

Все указанные выше способы создания горизонтальной тяги обеспечивают возможность выбора различных режимов полета в разных условиях.

Изобретение относится к авиации. Аппарат содержит установленную на корпусе (1) круглую в плане аэродинамическую поверхность, верхняя часть которой выполнена в виде горизонтальной несущей плоскости (2), реактивный двигатель, сопловый аппарат которого выполнен с кольцевой щелью (3), которая размещена с уступом (10) над средней частью плоскости (2) так, что круговая газовая струя входит в соприкосновение только с ее периферийной частью. Ниже и вокруг плоскости (2) установлена перегородка (4) с цилиндрической поверхностью, которая предназначена для отделения образованного газовой струей газовоздушного потока от пространства под плоскостью (2) посредством исключения возможности эжектирования воздуха из-под плоскости (2). Изобретение направлено на повышение подъемной силы. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, содержащий установленные на корпусе круглую в плане аэродинамическую поверхность, верхняя часть которой выполнена в виде горизонтальной несущей плоскости, реактивный двигатель, сопловой аппарат которого выполнен с кольцевой щелью, которая размещена с уступом над средней частью упомянутой плоскости так, что круговая газовая струя входит в соприкосновение только в периферийной части с упомянутой плоскостью, отличающийся тем, что ниже и вокруг упомянутой плоскости установлена перегородка с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к упомянутой плоскости, при этом указанная перегородка предназначена для отделения образованного газовой струей газовоздушного потока от пространства под упомянутой плоскостью посредством исключения возможности эжектирования воздуха из-под упомянутой плоскости. 2. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что отдельные участки периферийной части упомянутой плоскости выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков, расположены под струей газа, вытекающего из соплового аппарата реактивного двигателя, и под образованным этой струей горизонтальным газовоздушным потоком, а также тем, что имеет отдельные органы управления, предназначенные для отклонения вниз части газовоздушного потока после прохождения над верхней частью указанной горизонтальной несущей плоскости путем поворота упомянутых закрылков. 3. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вертикальными аэродинамическими пластинами газовых рулей, которые установлены на поверхности несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра упомянутой плоскости с возможностью независимого поворота относительно упомянутых осей пластин рулей. 4. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что сопловой аппарат реактивного двигателя выполнен в виде канала с конусообразной внутренней поверхностью, образующей воронку, ось симметрии которой размещена вертикально, а образующие упомянутой конусообразной поверхности имеют выпуклую в сторону упомянутой оси симметрии форму, в упомянутой воронке с зазором относительно ее стенок установлен направляющий вкладыш в виде конуса, ось симметрии которого совмещена с осью упомянутой воронки, вершина обращена в сторону реактивного двигателя, а образующие боковой конусообразной поверхности имеют вогнутую в сторону оси форму, причем воронка и конус вкладыша на выходе из сопла образуют кольцевую щель с возможностью выхода из нее газовой струи в горизонтальном направлении над упомянутой плоскостью. 5. Способ полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки, основанный на создании подъемной силы за счет летательного аппарата, имеющего горизонтальную несущую аэродинамическую плоскость, над которой уменьшают давление и ускоряют массу воздуха в направлении сверху вниз за счет обдува газовой струей из кольцевой щели соплового аппарата реактивного двигателя в центральной части упомянутой плоскости, отличающийся тем, что обдувают упомянутую плоскость газовой струей из кольцевой щели соплового аппарата реактивного двигателя летательного аппарата по п.1.