ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ Российский патент 2005 года по МПК B64C29/00 

Изобретение относится к авиационной промышленности, а именно к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки.

Известны летательные аппараты вертикального взлета и посадки, содержащие дискообразный корпус с двумя противоположно вращающимися винтами, центрально расположенную кабину, агрегат привода винтов, сосуд с запасом топлива, опорные шасси (см. авт. свид. СССР SU №1838180 A3, МКИ В 64 С 29/00 от 04.1990 г., авт. свид. СССР SU №1496630 A3, МКИ В 64 С 29/00 от 07.1989 г.).

К недостаткам этих летательных аппаратов относится то, что используемые в их конструкциях воздушный винт (пропеллер) или вентилятор создают мгновенное избыточное давление воздуха только на эффективной несущей площади несущих лопастей, но не могут в открытой подвижной воздушной среде создать избыточное давление на эффективной площади действия лопастей. Дело в том, что сжатый под несущими лопастями воздух после их прохода расширяется, и часть его выбрасывается перед лопастями, участвуя в образовании эффективной площади поверхности действия лопастей, но при этом он препятствует поступлению потока воздуха сверху. А основная часть воздуха от действия несущих лопастей отбрасывается в противоположную взлету сторону с большой скоростью, и на удаленном от лопастей винта расстоянии работа, затраченная ими на сжатие, при расширении рассеивается. Это указывает на то, что эффективность действия воздушных винтов в этих летательных аппаратов низкая. Поэтому вновь создаваемые конструкции летательных аппаратов, направленные на увеличение грузоподъемности, требуют увеличения эффективной несущей площади несущих лопастей.

Заявляемое изобретение направлено на создание летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, в котором при равномерном выпуске сжатого воздуха из отверстий на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй, эффективно используется свойство газов при сжатии нагреваться.

Техническим результатом использования изобретения является то, что в летательном аппарате с вертикальным взлетом на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй эффективно используется свойство газов при сжатии нагреваться.

Техническим результатом использования изобретения является то, что в летательном аппарате с вертикальным взлетом создается достаточная разреженность воздуха перед фронтом летательного аппарата.

Техническим результатом использования изобретения является то, что в летательном аппарате с вертикальным взлетом при выпуске сжатого и нагретого в результате сжатия воздуха работа сжатия возвращается в виде увеличения давления и времени сохранения давления воздуха на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй.

Указанные технические результаты достигаются тем, что летательный аппарат вертикального взлета и посадки выполнен в виде тела вращения с вертикально расположенной осью и состоит из осесимметричного осевого ротационного компрессора, соединенного с теплоизолированным изнутри ресивером, образованным с помощью установки на торец расширяющегося выходного патрубка осевого ротационного компрессора дополнительного тылового днища, образующего эффективную несущую площадь поверхности, на которой выполнены сквозные отверстия небольшого диаметра с наклоном в сторону, противоположную взлету аппарата и вращению ротора компрессора, а для создания дифферента летательного аппарата в объеме его ресивера установлены четыре равномерно расположенные по окружности заслонки перекрытия отверстий, приводящиеся в действие исполнительными механизмами, при этом в прозрачном обтекателе осевого ротационного компрессора установлен автономный двигатель с запасом топлива, приводящий в действие ротор компрессора, и находится герметичная кабина пилота с приборами управления и навигации.

Полученным техническим результатом изобретения является то, что в теплоизолированном ресивере летательного аппарата с вертикальным взлетом сохраняется тепло, - работа, затраченная на сжатие воздуха в осевом ротационном компрессоре.

Полученным техническим результатом изобретения является то, что наклонные отверстия на круглом плоском днище летательного аппарата с вертикальным взлетом позволяют равномерно распределить избыточное давление на эффективной несущей площади поверхности летательного аппарата и предотвратить его вращение.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей.

На фиг.1 изображен продольный разрез с местными разрезами летательного аппарата с вертикальным взлетом. На фиг.2 изображен вид сверху с местными разрезами летательного аппарата с вертикальным взлетом.

На Фиг.1 и Фиг.2 изображен летательный аппарат с вертикальным взлетом, выполненный в виде тела вращения с вертикально расположенной осью. В конструкцию летательного аппарата с вертикальным взлетом входят осевой ротационный компрессор 1 поточно-объемного действия с встроенным двигателем 2 и запасом топлива. Двигатель 2 приводит в работу осевой ротационный компрессор 1 и обеспечивает энергией летательный аппарат. А осевой ротационный компрессор 1, образуя единое целое, соединен с теплоизолированным изнутри ресивером 3. В тыловом днище 4 ресивера (в днище, обращенном в сторону, противоположную взлету) по всей его поверхности выполнены сквозные отверстия небольшого диаметра, оси которых имеют расчетный наклон в сторону, противоположную взлету аппарата и вращению ротора-пропеллера 5 осевого ротационного компрессора. В результате плоское тыловое днище 4 ресивера образует эффективную несущую площадь поверхности действия выходящих струй летательного аппарата. Эффективная несущая площадь поверхности действия выходящих струй - это сумма площадей всех отверстий, через которые струи выходящего газа действуют на подвижную среду. Внутри объема ресивера 3 для создания дифферента летательного аппарата установлены четыре равномерно расположенные по окружности заслонки 6 перекрытия отверстий, приводящиеся в действие исполнительными механизмами. Летательный аппарат с вертикальным взлетом в нижней части имеет опоры 7, на которые он встает при посадке. Особенностью конструкции осевого ротационного компрессора 1 является то, что он имеет форму тела вращения и состоит из корпуса 8 и размещенного в нем двигателя 2, ротора-пропеллера 5, пластинчатых перегородок 9 и клапанов 10. Ротор-пропеллер 5 - это воздушный винт образован кольцом 11, скрепляющим начала, например, четырех равномерно расположенных по окружности винтовых лопастей 12, атакующие и тыльные кромки которых принадлежат двум параллельным плоскостям, задающим высоту ротора 5 и ширину кольца 11. Оси симметрии винтовых лопастей 12 перпендикулярны к внешней поверхности кольца 11 и проходят через середину его высоты. На внутренней поверхности кольца 11 установлено ведомое колесо шестерни. При этом скрепляющее лопасти кольцо 11 ротора-пропеллера 5 является наружной обоймой корпуса шарикового подшипника, шарики которого взаимодействуют с наружной кольцевой частью корпуса 8 и образуют неразъемное соединение. Один торец кольцевой части корпуса 8 соединен с обтекателем 13, внутри которого располагается двигатель 2, приводящий во вращение ротор-пропеллер 5 с помощью находящейся на его силовом вале ведущей шестерни, входящей в зацепление с колесом шестерни кольца 11, для чего в боку кольцевой части корпуса выполнена прорезь. Другой торец кольцевой части корпуса 8, образуя единое целое корпуса, соединен соосно с плоским днищем 14, установленным внутри цилиндрической гильзы 15 на расстоянии, равном высоте ротора-пропеллера 5 от края ее входа. Диаметр днища 14 равен диаметру вращения ротора-пропеллера 5. В результате ротор-пропеллер 5 погружается в образовавшийся объем гильзы 15. В плоском днище 14, от его поверхности вглубь, в ребрах жесткости днища выполнены четыре равномерно расположенные по окружности прорези, в которые вставлены пружины, а затем пластинчатые перегородки 9. При этом боковые поверхности пластинчатых перегородок 9 находятся в контакте соответственно с внешней поверхностью обода кольца 11 и внутренней поверхностью цилиндрической гильзы 15, а торцы лопастей 12, вписанные внутрь по окружности цилиндра гильзы, и их тыльные кромки находятся на минимальных расстояниях соответственно от внутренней поверхности гильзы 15 и плоского днища 14. Перегородки 9 выталкиваются на атакующие плоскости лопастей 12 пружинами и образуют камеры сжатия. В днище 14 перед пластинчатыми перегородками 9, встречающимися с атакующими кромками лопастей 12 при вращении ротора в их направлении, установлены клапаны нагнетания 10. Ко второму удаленному от входа торцу цилиндрической гильзы 15, образуя единое целое, присоединен расширяющийся выходной патрубок, к которому затем присоединено дополнительное круглое плоское днище 4. Как упоминалось выше, в тыловом плоском днище 4 на всей его площади выполнены под наклоном сквозные отверстия небольшого диаметра, суммарная площадь которых рассчитывается для конкретного исполнения летательного аппарата по известным формулам, в частности, по формуле Бернулли, истечения газа через отверстие. Днища 14 и 4 дополнительно соединены равномерно распределенными ребрами жесткости, проходящими по линии диаметра и имеющими выборку в месте пересечения. Днища 14 и 4, обращенные друг к другу, ребра жесткости и стенка выходного патрубка, покрытые изнутри теплоизолирующим материалом, представляют теплоизолированный ресивер 3. Внутренняя полость, образованная обтекателем 13, сделанным из прозрачного материала, кольцевой частью корпуса 8 и днищем 14, выполнена герметичной, потому что в нем может находиться кабина пилота с приборами управления и навигации. Вся конструкция летательного аппарата изготавливается из легких металлов и их сплавов.

Вертикальный взлет, полет и посадка летательного аппарата с вертикальным взлетом осуществляются следующим образом (cм. Фиг.1 и Фиг.2). Летательный аппарат вертикального взлета помещается на опорах 6 в воздушную среду или в газовую среду. В работу запускается двигатель 2. Двигатель 2 с помощью находящейся на его силовом вале ведущей шестерни, которая входит в зацепление с ведомым колесом шестерни ротора, приводит во вращение ротор-пропеллер 5 осевого ротационного компрессора 1. Ротор-пропеллер 5 - воздушный винт будет вращаться на кольцевой части корпуса 8. Атакующие кромки лопастей 12 ротора-пропеллера осуществляют захват воздуха по кругу. При этом захватываемый воздух испытывает сжатие от напора лопастей и поэтому стремится выйти из незамкнутого охватывающего объема. Но так как газ сжимаем, то скорость распространения возникающего уплотнения при определенном угле захода лопастей 12 ротора-пропеллера не достигает критического значения, чтобы помешать захвату воздуха атакующими кромками. Затем атакующие кромки и плоскости начала захода лопастей 12 (плоскости сразу после атакующих кромок) вступают в контакт с пластинчатыми перегородками 9, вытолкнутыми из прорезей в днище 14, и замыкают образовавшиеся объемы - камеры сжатия. Следующие за атакующими кромками атакующие плоскости лопастей 12 вращающегося ротора-пропеллера 5 сжимают захваченный атакующими кромками воздух, одновременно перемещая пластинчатые перегородки 9 в прорезь. Объем камер сжатия уменьшается, а давление в них возрастает настолько, что клапаны нагнетания 10 открываются, и лопасти 12 своими тыльными кромками нагнетают сжатый газ в объем ресивера 3. По окончании нагнетания клапаны 10 закрываются. Так как осевой ротационный компрессор 1 работает постоянно, то ротор-пропеллер 5 своими лопастями 12 постоянно захватывает воздух, создавая достаточную разреженность перед фронтом летательного аппарата. Соответственно осевой ротационный компрессор 1 своими лопастями 12 постоянно сжимает и нагнетает захваченный воздух в ресивер, в котором давление воздуха повышается, например, до 0,5 МПа (5 атм). При этом температура сжатого воздуха повышается, например, от T₁=250K (-23°C) до Т₂=410К (137°С). Происходит это потому, что воздух при сжатии в компрессоре 1 до давления 0,5 МПа получает тепло в виде работы сжатия (работа, затраченная на сжатие). Полученное сжатым воздухом тепло работы сжатия от компрессора сохраняется в теплоизолированном ресивере 3. Из ресивера 3 сжатый и нагретый воздух при рабочем давлении 0,5 МПа через отверстия в тыловом днище 4 интенсивно выходит. Местное мгновенное распределенное избыточное давление на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй летательного аппарата значительно возрастает, приближаясь к давлению входа в отверстия, и летательный аппарат взлетает. При равенстве веса летательного аппарата создаваемому местному давлению, действующему на эффективную несущую площадь поверхности действия выходящих струй, летательный аппарат зависает. Значительный рост давления и время его действия на распределенной эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй летательного аппарата обеспечивается тем, что выходящий сжатый воздух через небольшие отверстия тылового днища 4, например при давлении р₂=0,4 МПа и температуре на выходе Т₂=410К (137°С) расширяется в окружающую среду, имеющую давление р_о.с.=0,1 МПа и температуру T₁=250K (-23°C). При этом имеющий более высокую температуру выходящий из отверстий тылового днища 4 воздух, расширившись до давления окружающей среды, выталкивается более холодной и плотной средой вверх с одновременным теплообменом. В результате создаются условия для увеличения толщины, глубины действия распределенного местного избыточного давления на эффективную несущую площадь поверхности действия выходящих струй летательного аппарата.

Следует отметить, что реакция противодействия воздуха на лопасти 12 компенсируется реакцией действующих струй всех отверстий, направленных в сторону, противоположную вращению ротора-пропеллера 5, поэтому аппарат не вращается. Для полета летательного аппарата в горизонтальном направлении необходимо осуществить его дифферент (накренить). С этой целью исполнительный механизм перекрытия опускает соответствующие заслонки 6, и они перекрывают отверстия. В результате давление на эффективной площади поверхности действия выходящих струй летательного аппарата распределится неравномерно. Появятся области с высоким и низким давлением. Летательный аппарат под собственным весом накренится в сторону меньшего давления. Чтобы аппарат не провалился, необходимо увеличить число оборотов ротора-пропеллера 5 осевого ротационного компрессора 1. В этом случае возрастет давление воздуха на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй, и летательный аппарат под собственным весом, как бы соскользнет с образовавшегося местного избыточного давления. После этого заслонки 6 поднимаются, отверстия открываются, и аппарат начнет движение в направлении крена. Чтобы летательный аппарат остановить, необходимо перекрыть в тыловом днище 4 заслонками 6 отверстия, расположенные противоположно направлению движения аппарата. В результате появятся области с высоким и низким давлением на эффективной несущей площади поверхности действия выходящих струй. Летательный аппарат под собственным весом будет кренится в сторону меньшего давления и одновременно взлетать. Чтобы летательный аппарат не взлетел, необходимо уменьшить число оборотов ротора-пропеллера 5 осевого ротационного компрессора 1. После остановки число оборотов ротора-пропеллера 5 осевого ротационного компрессора 1 уменьшается и летательный аппарат садится на опоры 7.

Изобретение относится к области авиации. Аппарат выполнен в виде тела вращения с вертикально расположенной осью. Аппарат содержит осевой ротационный компрессор, двигатель с запасом топлива и соединенный с компрессором теплоизолированный ресивер. На плоском тыловом днище ресивера выполнены сквозные отверстия небольшого диаметра, наклоненные в сторону, противоположную взлету аппарата и вращению ротора-пропеллера компрессора. Внутри объема ресивера для создания дифферента летательного аппарата установлены четыре заслонки перекрытия отверстий. Ротор-пропеллер представляет собой воздушный винт компрессора, который захватывает воздух перед фронтом аппарата и нагнетает нагретый воздух в теплоизолированный ресивер. Через отверстия в тыловом днище ресивера, являющемся несущей площадью поверхности аппарата, воздух расширяется в окружающую среду. Для горизонтального полета необходимо осуществить с помощью заслонок дифферент аппарата в сторону движения. Технический результат – повышение грузоподъемности. 2 ил.

Летательный аппарат с вертикальным взлетом, выполненный в виде тела вращения с вертикально расположенной осью и включающий в себя осесимметричный осевой ротационный компрессор, соединенный с теплоизолированным ресивером, образованным в результате установки на торец расширяющегося выходного патрубка осевого ротационного компрессора дополнительного круглого плоского днища, образующего эффективную несущую площадь поверхности, на которой выполнены сквозные отверстия небольшого диаметра с наклоном в сторону, противоположную взлету летательного аппарата и вращению ротора-пропеллера компрессора, а для создания дифферента летательного аппарата в объеме его ресивера установлены четыре равномерно расположенные по окружности заслонки перекрытия отверстий, приводящиеся в действие исполнительными механизмами, при этом в прозрачном обтекателе осевого ротационного компрессора установлен автономный двигатель с запасом топлива, приводящий в действие ротор компрессора, и находится кабина пилота с приборами управления и навигации.