СПОСОБ ПОЛЕТА В ВОЗДУХЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ В ВИДЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2002 года по МПК B64C29/00 B64C39/00 

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в частности к способам создания подъемной силы у летательного аппарата с использованием мощности двигателя и к устройствам, осуществляющим этот способ полета. Изобретение может быть использовано при транспортировке различных грузов и при выполнении работ, при которых не допускается создания направленного вниз воздушного потока в пространстве ниже летательного аппарата и его ненесущей аэродинамической поверхности.

Известен способ полета в воздухе, применяемый в вертолетах, заключающийся в том, что используют несущий винт, которой вращают в горизонтальной плоскости, направляют вниз созданный несущим винтом поток воздуха и за счет этого создают подъемную силу (Политехнический словарь. Под ред. академика А. Ю.Ишлинского, изд. "Советская энциклопедия", М. - 1980, стр. 75, 76).

Наиболее близким по совокупности признаков является способ полета в воздухе, применяемый в устройстве для создания подъемной силы, при котором используют круглую в плане горизонтальную неподвижную плоскую аэродинамическую поверхность, являющуюся несущей плоскостью, над которой с помощью струи газа от реактивного двигателя создают газовоздушный поток, который направляют горизонтально от центра аэродинамической поверхности равномерно во все стороны таким образом, что газовоздушный поток вводят в соприкосновение с аэродинамической поверхностью только в периферийной ее части и за счет этого над большей частью этой поверхности вокруг ее центра между газовоздушным потоком и аэродинамической поверхностью создают замкнутый объем с пониженным давлением, а над газовоздушным потоком образуют направленный вниз поток воздуха путем его эжектирования указанным горизонтальным газовоздушным потоком и за счет этого создают подъемную силу, используемую для полета в воздухе (патент США 5031859, кл. В 64 С 29/00, 1991).

Недостатком этого способа полета в воздухе является возможность его осуществления только при использовании реактивного двигателя, что сужает область его применения, в частности, при создании легких летательных аппаратов с двигателями внутреннего сгорания.

Известен летательный аппарат тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, содержащий неподвижную несущую аэродинамическую поверхность, кольцевое крыло вокруг этой несущей поверхности и реактивный двигатель с сопловым аппаратом, имеющим кольцевую щель для выхода газа в средней части несущей поверхности, причем неподвижная несущая аэродинамическая поверхность выполнена в виде круглой в плане выпуклой вверх поверхности, а отдельные участки кольцевого крыла, в том числе обращенные вперед, назад и в стороны от соплового аппарата, снабжены средствами механизации крыла в виде закрылок, расположенных вместе с крылом в струе газа, вытекающего из соплового аппарата реактивного двигателя, и имеющих отдельные органы управления для разных закрылок, обеспечивающих независимую друг от друга работу этих элементов механизации крыла (патент США 2547266, кл. 244-12, 1951).

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленному изобретению по способу и устройству является устройство для создания подъемной силы, содержащее установленные на корпусе круглую в плане плоскую горизонтальную неподвижную аэродинамическую поверхность, которая является несущей плоскостью, реактивный двигатель, сопловый аппарат которого выполнен с кольцевой щелью, размещенной с уступом над средней частью упомянутой плоскости так, что круговая горизонтально направленная газовоздушная струя входит в соприкосновение с упомянутой несущей плоскостью только в периферийной ее части, при этом между несущей плоскостью и газовоздушной струей создается замкнутый объем с пониженным давлением, а над газовоздушной струей образуется направленный вниз ускоренней поток воздуха в связи с его эжектированием указанной газовоздушной струей из окружающего пространства и за счет этого создается подъемная сила, используемая для полета в воздухе (патент США 5031859, кл. В 64 С 29/00, 1991).

Это устройство для создания подъемной силы у летательного аппарата осуществимо только при использовании его совместно с реактивном двигателем, что затрудняет его применение при создании легких летательных аппаратов, использующих широко распространенные двигатели внутреннего сгорания.

Предлагаемое изобретение по способу полета в воздухе и устройству для его осуществления в виде летательного аппарата обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что при осуществлении данного способа и создании летательного аппарата, осуществляющего этот способ, возможно использование любых двигателей с вращающимся выходным валом, передающим вращающий момент, в том числе газовых турбин, турбовинтовых двигателей, двигателей внутреннего сгорания.

Указанный технический результат по способу полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки достигается тем, что для создания подъемной силы используют круглую в плане плоскую горизонтальную неподвижную аэродинамическую поверхность, являющуюся несущей плоскостью, и над ней создают воздушный поток, который направляют горизонтально от центра аэродинамической поверхности равномерно во все стороны таким образом, что воздушный поток вводят в соприкосновение с аэродинамической поверхностью только в периферийной ее части и за счет этого над большей честью этой поверхности вокруг ее центра между воздушным потоком и аэродинамической поверхностью создают замкнутый объем с пониженным давлением, а над воздушным потоком образуют направленный вниз поток воздуха путем его эжектирования указанным воздушным потоком и за счет этого создают подъемную силу, используемую для полета в воздухе. Согласно изобретению горизонтально направленный равномерно во все стороны над аэродинамической поверхностью радиальный воздушный поток создают путем использования центробежной силы. Для этого применяют ротор с горизонтальными лопастями, который располагают с уступом над аэродинамической поверхностью и приводят во вращение при помощи связанного с корпусом летательного аппарата двигателя. При этом образуют над большей частью аэродинамической поверхности вокруг ее центра под лопастями ротора и созданным ими воздушным потоком замкнутый объем с пониженным давлением, а также осуществляют эжектирование воздуха из окружающего пространства над воздушным потоком и при этом создают направленный вниз поток воздуха над всей площадью аэродинамической поверхности и за счет этого создают подъемную силу, используемую для полета летательного аппарата. Для противодействия вращающему моменту, создаваемому вращающимся ротором, применяют вертикальные аэродинамические плоскости, при помощи которых изменяют направление указанного выше горизонтального воздушного потока и создают противоположно направленный равный по величине момент силы, противодействующий повороту летательного аппарата при вращении ротора.

Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, осуществляющий указанный способ полета в воздухе, содержит установленную на корпусе летательного аппарата круглую в плане плоскую горизонтальную неподвижную аэродинамическую поверхность, которая является несущей плоскостью, размещенное в центре с уступом над указанной несущей плоскостью устройство для создания горизонтального радиально направленного над несущей плоскостью воздушного потока, который входит в соприкосновение с несущей плоскостью только в круговой периферийной ее части с образованием над большей частью несущей плоскости вокруг ее центра между воздушным потоком и несущей плоскостью замкнутого объема с пониженным давлением. Указанный горизонтальный воздушный поток создает над несущей плоскостью направленный вниз ускоренный поток воздуха путем его эжектирования из окружающего пространства. Согласно изобретению устройство для создания горизонтального радиально направленного воздушного потока выполнено в виде ротора с горизонтальными лопастями, установленного на вертикальном валу двигателя, соединенного с корпусом летательного аппарата. Указанный ротор взаимодействует с окружающим воздухом подобно центробежному вентилятору. По окружности периферийной части несущей плоскости установлены вертикальные аэродинамические плоскости, обеспечивающие за счет взаимодействия с воздушным потоком противодействие создаваемому ротором вращающему моменту. Там же размещены аэродинамические элементы управления полетом летательного аппарата.

Ниже и вокруг несущей плоскости установлена перегородка с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к круговой периферийной части несущей плоскости. Указанная перегородка предназначена для отделения сошедшего с несущей плоскости воздушного потока от пространства под несущей плоскостью, исключает эжектирование воздуха из под упомянутой плоскости указанным воздушным потоком и устраняет возможность связанного с этим уменьшения подъемной силы, воздействующей на несущую плоскость.

Летательный аппарат снабжен размещенными в воздушном потоке вертикальными аэродинамическими пластинами воздушных рулей, которые установлены в периферийной части несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра упомянутой плоскости с возможностью независимого друг от друга управляемого поворота на своих осях.

Отдельные участки периферийной части несущей плоскости выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков, расположенных под созданным ротором горизонтальным воздушным потоком. Указанные закрылки имеют отдельные органы управления и обеспечивают отклонение вниз или вверх части воздушного потока после прохождения над несущей плоскостью путем соответствующего поворота упомянутых закрылков.

На 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 созданного ротором воздушного потока, а длинными стрелками с тонкими линиями - направление потока воздуха, захваченного ротором и эжектируемого из окружающего пространства упомянутым горизонтальным воздушным потоком. Эти же чертежи иллюстрируют способ полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки.

Описание способа полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки дается на примере работы летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой.

Летательный аппарат (см. чертежи фиг.1 и 2) с вертикальным взлетом и посадкой содержит установленную на корпусе 1 летательного аппарата круглую в плане плоскую горизонтальную неподвижную аэродинамическую поверхность 2, которая является несущей плоскостью. В центре и с уступом над указанной несущей плоскостью 2 размещено устройство для создания горизонтального радиально направленного над несущей плоскостью воздушного потока 3, который входит в соприкосновение с несущей плоскостью только в круговой периферийной ее части с образованием над большей частью несущей плоскости вокруг ее центра O между указанным воздушным потоком 3 и несущей плоскостью 2 замкнутого объема 4 с пониженным давлением. Выражение "радиально направленный воздушный поток" применяется в описании и формуле изобретения в том смысле, что этот воздушный поток наряду с круговым движением имеет радиальную составляющую по направлению движения, что является существенным признаком технического решения. Указанный горизонтальный воздушный поток создает над несущей плоскостью направленный вниз ускоренный поток воздуха 5 путем его эжектирования из окружающего пространства.

Устройство для создания горизонтального радиально направленного воздушного потока выполнено в виде ротора 6 с горизонтальными лопастями 7, установленного на вертикальном валу двигателя 8, соединенного с корпусом 1 летательного аппарата.

Указанный ротор 6 с радиальными горизонтальными лопастями 7 взаимодействует с окружающим воздухом подобно центробежному вентилятору. По окружности периферийной части несущей плоскости 2 установлены вертикальные аэродинамические плоскости 9, обеспечивающие за счет взаимодействия с воздушным потоком 3 противодействие создаваемому ротором вращающему моменту, а также размещены аэродинамические элементы управления полетом летательного аппарата.

Ниже и вокруг несущей плоскости установлена перегородка 10 с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к круговой периферийной части несущей плоскости 2. Указанная перегородка предназначена для отделения сошедшего с несущей плоскости воздушного потока 3 от пространства под несущей плоскостью, исключает эжектирование воздуха из под упомянутой плоскости указанным воздушным потоком и устраняет возможность связанного с этим уменьшения подъемной силы, воздействующей на несущую плоскость.

Летательный аппарат снабжен размещенными в воздушном потоке 3 вертикальными аэродинамическими пластинами воздушных рулей 11, которые установлены в периферийной части несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра O упомянутой плоскости с возможностью независимого друг от друга управляемого поворота на своих осях.

Отдельные участки периферийной части несущей плоскости 2 выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков 12, расположенных под созданным ротором горизонтальным воздушным потоком. Указанные закрылки имеют отдельные независимые друг от друга органы управления и обеспечивают отклонение вниз или вверх части воздушного потока 3 после прохождения им над несущей плоскостью путем соответствующего поворота упомянутых закрылков.

Способ полета в воздухе с помощью приведенного выше летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой осуществляется следующим образом.

При вращении ротора 6 его горизонтальные лопасти 7 придают ускорение соприкасающемуся с ними воздуху и увлекают его в радиальных направлениях от центра O несущей плоскости 2 с созданием горизонтального воздушного потока 3. Этот воздух увлекается из под лопастей ротора и из пространства над этими лопастями. В результате в замкнутом объеме 4 между лопастями 7 ротора и верхней поверхностью несущей плоскости 2 давление воздуха понижается, и это приводит к тому, что со стороны окружающего неподвижного воздуха на нижнюю поверхность несущей плоскости 2 оказывается давление Р снизу вверх, как разность величин давлений под и над несущей плоскостью, создающая подъемную силу F.

Вместе с тем вращающийся ротор 6 с горизонтальными лопастями 7 увлекает воздух из пространства над несущей плоскостью в горизонтальном направлении вдоль этой несущей плоскости и создает ускоренный сверху вниз поток воздуха 5 над несущей плоскостью из окружающего пространства. Созданию этого вертикально направленного потока воздуха помимо непосредственно лопастей ротора способствует также эжектирование воздуха из окружающего пространства горизонтальным воздушным потоком 3, созданным ротором 6, 7.

Известно, что ускорение любой массы происходит только под действием силы. Следовательно, ускоренный поток воздуха 5 над несущей плоскостью 2 создается 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 также, что в воздушной среде с увеличением скорости ее движения давление понижается, и наоборот (см. Физический энциклопедический словарь. Под ред. А. М. Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1984, стр. 387-388). Следовательно, в воздушном потоке 3 и потоке воздуха 5 над несущей плоскостью 2 давление будет ниже, чем в неподвижном воздухе под этой плоскостью. Разность в величинах этих давлений Р создает подъемную силу F.

Неподвижность воздуха под несущей плоскостью 2 обеспечивается применением перегородки 10 с цилиндрической поверхностью, которая исключает возможность эжектирования воздуха из-под несущей плоскости и создание там потока воздуха с пониженным давлением при выходе воздушного потока 3 с верхней поверхности 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 преимущественно при нахождении летательного аппарата на поверхности земли или в воздухе на малой высоте.

Второй режим полета применяется преимущественно после подъема летательного аппарата на определенную высоту, когда направление вниз части воздушного потока не имеет значения. Сила тяги в горизонтальном направлении создается при повороте одного из закрылков 12 на некоторый угол α с отклонением вниз части воздушного потока 3. При этом возникает сила лобового сопротивления закрылка воздушному потоку 3. Эта сила является силой горизонтальной тяги, действующей в направлении, в котором располагается данный закрылок от центра O несущей плоскости 2. В связи с тем, что закрылок при этом отклоняет часть воздушного 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 воздушного потока и соответственно подъемной силы на указанной стороне несущей плоскости и увеличивает как скорость воздушного потока, так и подъемную силу на противоположной направлению полета стороне несущей плоскости. Этим обеспечивается равновесное положение и устойчивость летательного аппарата относительно вертикали во время его поступательного движения.

Повороты летательного аппарата, а также его поступательное движение преимущественно на малой высоте производятся при помощи вертикальных аэродинамических пластин воздушных рулей 11, установленных в воздушном потоке 3 на круговой периферийной поверхности несущей плоскости 2 на вертикальных осях с возможностью независимого друг от друга управляемого поворота этих пластин газовых рулей 11 в обоих направлениях на определенный угол β. При повороте упомянутых пластин газовых рулей в одном направлении они отклоняют часть воздушного потока 3 в одну сторону по окружности и обеспечивают поворот летательного аппарата в противоположном направлении. При повороте на своих осях диаметрально противоположно размещенных относительно центра O несущей плоскости упомянутых пластин газовых рулей в противоположные стороны они совокупно создают воздушный поток в одном направлении и при этом обеспечивают создание тяги в горизонтальном направлении.

При указанном режиме полета без применения закрылка 12, а только с использованием пластин воздушных рулей 11 создается также дополнительная тяга в горизонтальном направлении за счет наклона вперед несущей плоскости 2 в связи с указанным выше меньшим приложением подъемной силы на обращенную в сторону полета часть несущей плоскости по сравнению с противоположной ее половиной. Указанное явление известно и используется у винтокрылых вертолетов.

Возможно также одновременное применение закрылка 12 и упомянутых пластин воздушных рулей 11 для создания тяги в горизонтальном направлении.

Все указанные выше способы создания горизонтальной тяги обеспечивают возможность выбора наиболее целесообразного режима полета в разных условиях.

Изобретение относится к летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой. Для создания подъемной силы F применяют установленную на корпусе 1 плоскую горизонтальную несущую плоскость (ГНП) 2, в центре O которой размещают ротор 6 с горизонтальными лопастями 7, под которыми создают замкнутый объем 4, отделенный от внешнего пространства лопастями ротора и верхней поверхностью ГНП. Взаимодействующий с вращающимся ротором 6, 7 воздух увлекают в радиальных относительно центра O направлениях и создают при этом горизонтальный воздушный поток 3, входящий в соприкосновение с ГНП только в периферийной ее части. Вращающиеся лопасти ротора создают горизонтальный воздушный поток, эжектирующий воздух из замкнутого объема 4. Образуют над ГНП направленный вниз ускоренный поток 3 воздуха. Подъемную силу F создают за счет разности в величине атмосферного давления Р на ГНП со стороны неподвижного воздуха под ней и пониженного давления в замкнутом объеме 4 над ГНП, при ускорении сверху вниз потока 5 воздуха над ГНП из окружающего пространства. Момент вращения от ротора компенсируют с помощью вертикальных аэродинамических плоскостей 9. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ полета в воздухе с возможностью вертикального взлета и посадки, заключающийся в том, что для создания подъемной силы используют установленную на корпусе летательного аппарата круглую в плане аэродинамическую поверхность, являющуюся несущей плоскостью, и над ней при помощи связанного с двигателем ротора с лопастями создают воздушный поток, который направляют от центра аэродинамической поверхности равномерно во все стороны и за счет этого создают подъемную силу, используемую для полета в воздухе, отличающийся тем, что воздушный поток направляют радиально и горизонтально, для чего применяют ротор, состоящий из горизонтальных лопастей, который располагают над аэродинамической поверхностью, и образуют над большей частью аэродинамической поверхности вокруг ее центра под лопастями ротора и созданным ими горизонтальным воздушным потоком замкнутый объем с пониженным давлением, а также осуществляют отсасывание воздуха из окружающего пространства над ротором и горизонтальным воздушным потоком, при этом создают направленный вниз поток воздуха над всей площадью аэродинамической поверхности и за счет этого создают подъемную силу, которую используют для полета летательного аппарата, а для противодействия вращающему моменту, создаваемому вращающимся ротором, применяют расположенные по окружности периферийной части несущей плоскости симметрично ее центра вертикальные аэродинамические плоскости, при помощи которых изменяют направление указанного выше горизонтального воздушного потока и создают противоположно направленный равный по величине момент силы, препятствующий повороту летательного аппарата при вращении ротора, вместе с тем, в созданном лопастями ротора горизонтальном воздушном потоке размещают вертикальные пластины воздушных рулей, которые устанавливают в периферийной части несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра упомянутой несущей плоскости и обеспечивают возможность независимого друг от друга управляемого поворота этих воздушных рулей на своих осях. 2. Летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, содержащий соединенный с корпусом летательного аппарата двигатель, установленную на корпусе летательного аппарата круглую в плане аэродинамическую поверхность, которая является несущей плоскостью, размещенный относительно центра упомянутой несущей плоскости ротор с горизонтальными лопастями, который создает ускоренный поток воздуха путем его отсасывания из окружающего пространства, отличающийся тем, что ротор выполнен из горизонтальных лопастей, установлен на вертикальном валу двигателя над несущей плоскостью, взаимодействует с окружающим воздухом подобно центробежному вентилятору и образует над большей частью несущей плоскости под лопастями ротора и созданным им горизонтальным воздушным потоком замкнутый объем с пониженным давлением, а непосредственно над всей несущей плоскостью создает направленный вниз ускоренный поток воздуха, по окружности периферийной части несущей плоскости симметрично ее центра установлены вертикальные аэродинамические плоскости, обеспечивающие за счет взаимодействия с воздушным потоком противодействие создаваемому ротором вращающему моменту, а также размещены аэродинамические элементы управления полетом летательного аппарата, при этом вся несущая плоскость размещена горизонтально и является неподвижной. 3. Летательный аппарат по п. 2, отличающийся тем, что ниже и вокруг несущей плоскости установлена перегородка с цилиндрической поверхностью, верхняя круговая кромка которой примыкает непосредственно к круговой периферийной части несущей плоскости, при этом указанная перегородка предназначена для отделения сошедшего с несущей плоскости горизонтального воздушного потока от пространства под несущей плоскостью, исключает отсасывание воздуха из-под упомянутой несущей плоскости указанным горизонтальным воздушным потоком и устраняет возможность связанного с этим уменьшения подъемной силы, воздействующей на несущую плоскость. 4. Летательный аппарат по п. 2, отличающийся тем, что он снабжен размещенными в горизонтальном воздушном потоке вертикальными аэродинамическими пластинами воздушных рулей, которые установлены в периферийной части несущей плоскости на вертикальных осях симметрично относительно центра упомянутой несущей плоскости с возможностью независимого друг от друга управляемого поворота на своих осях. 5. Летательный аппарат по п. 2, отличающийся тем, что отдельные участки периферийной части несущей плоскости выполнены в виде установленных на горизонтальных осях закрылков, расположенных под созданным ротором горизонтальным воздушным потоком, указанные закрылки имеют отдельные органы управления и обеспечивают отклонение вниз или вверх части горизонтального воздушного потока после прохождения над несущей плоскостью путем соответствующего поворота упомянутых закрылков.