ВЕРТОЛЕТ-КОНВЕРТОПЛАН Российский патент 2006 года по МПК B64C27/32 B64C27/46 

Изобретение относится к авиационной технике и может использоваться при создании летательных аппаратов типа конвертоплан на базе подъемно-несущей системы вертолета.

Известны летательные аппараты - конвертопланы, сочетающие в себе качества вертолета и самолета, что позволяет им совершать вертикальный взлет и посадку, а горизонтальный полет с повышенной, по сравнению с вертолетом, крейсерской скоростью. Конвертопланы этого типа, например КА-22, содержат основные конструктивные узлы вертолета - силовую установку с редуктором и несущие винты /НВ/. Кроме того, эти летательные аппараты /ЛА/ снабжаются плоскостями крыла и тянущими винтами, имеющими привод от основных или специальных двигателей. Взлет и посадку конвертоплан с НВ производит как вертолет, используя подъемную силу несущих винтов, приводимых во вращение основной силовой установкой. В горизонтальном полете НВ работают в режиме авторотации, а горизонтальная тяга создается тянущими винтами, при этом плоскость крыла конвертоплана частично разгружает НВ, что дает возможность увеличить скорость горизонтального полета. Однако скорость полета этого конвертоплана все же недостаточна и не превышает 400 км/ч, так как на больших скоростях НВ создает значительное сопротивление встречному потоку воздуха. Кроме того, конструкция существующих конвертопланов достаточно сложна из-за наличия большого числа промежуточных звеньев механической трансмиссии, передающих крутящий момент к тянущим винтам. Весь подъемно-несуще-тяговый комплекс имеет повышенные массо-габаритные показатели /в сравнении с вертолетом и самолетом/. За прототип изобретения принята конструкция одновинтового вертолета традиционной схемы, например МИ-8. В этом ЛА подъемная сила и поступательное движение создаются несущим винтом, а парирование реактивного момента от вращения НВ осуществляется хвостовым винтом, установленным в конце хвостовой балки. Однако данный вертолет имеет тот же основной недостаток, которой присущ всем ЛА с несущим винтом - значительное вредное сопротивление НВ в крейсерском режиме полета.

Задача изобретения - повысить скорость горизонтального полета конвертоплана вертолетной схемы /с несущим винтом/ с типовой силовой установкой, а также упростить конструкцию системы горизонтальной тяги и повысить ее надежность.

Указанная задача решается тем, что вертолет-конвертоплан снабжается винтом переменного диаметра по заявке №2003124905/11/026412/, но с механизмом выдвижения-втягивания и фиксации лопастей применительно к НВ с приводом от силовой установки, которая объединяется в единый блок: двигатель-редуктор-компрессор /вентилятор/, а парирование реактивного момента осуществляется за счет противоположной реакции истекающего из поворотного сопла воздушного потока, причем горизонтальный полет производится также с помощью реактивной тяги, создаваемой тем же воздушным потоком, истекающим из сопла при уменьшенном диаметре НВ, работающего в режиме авторотации, с использованием подъемной силы крыла.

На фиг.1 изображен опорный узел несущего винта с механизмом изменения его диаметра. Подвижная по длине радиуса вращения лопасть НВ содержит лонжерон 1, упор 2 и штангу 3, причем шток упора неподвижен и выполняет роль ограничителя. Штанги и лонжероны соответствующих им лопастей через систему шарниров крепятся к втулке 4 винта, которая жестко связана с приводным валом 5. На нижней поверхности втулки выполнены выступы-зубья 6. Под втулкой, с возможностью свободного вращения на приводном валу, помещается барабан 7. На верхней поверхности барабана имеются пазы, куда могут входить зубья-выступы втулки винта. Выступы и пазы на поверхностях втулки и барабана образуют кулачковую муфту. Барабан жестко соединен с упорной втулкой 9, а та, в свою очередь, сопряжена с упорным подшипником 10, в корпус которого входит рычаг 13, связанный со штоком цилиндра 14 гидропривода. В трубопровод гидропривода включен электромагнитный клапан 15. Нижний фланец корпуса упорного подшипника нагружен пружиной 11 и через втулку 9 передает усилие на барабан, прижимая его к втулке винта. Приводной вал вращается внутри неподвижного корпуса 12, который в верхней части заканчивается тарелкой тормозного диска 8. На корпусе приводного вала под тормозным диском монтируется автомат перекоса 16. К барабану крепятся концы тянущих тросов 17, другие концы которых связаны с комлями подвижных лопастей через амортизаторы 18. На фиг.2 изображены узлы подъемно-тяговой системы и их расположение в вертолете-конвертоплане. Валы 20 газотурбинных двигателей сообщаются с редуктором 21, ведомые валы которого соединяются с приводным валом НВ и валом вентилятора 23. Вентилятор располагается за редуктором, а забор воздуха в него осуществляется через верхние окна 22. Нагнетательная часть вентилятора сообщена с воздухопроводам 24, в конце которого помещается поворотное сопло 25. Один из вариантов конструкции поворотного сопла показан на схеме, где сопло выполняется в виде втулки с внутренним Т-образным каналом. Уплотнения устанавливаются в местах сопряжения втулки со стенками окон входа-выхода воздуха. Верхняя и нижняя поверхности втулки опираются на оси. Поворот втулки-сопла осуществляет соединение воздухопровода либо с боковым окном хвостовой части, либо с ее задним окном.

Перед взлетом ЛА узлы и детали подъемно-несуще-тяговой системы приводятся в следующее состояние:

1. Клапан 15 в системе гидропривода открыт, поэтому давление жидкости в системе отсутствует и барабан усилием пружины прижат к втулке винта, при этом выступы-зубья на поверхности втулки входят в пазы на поверхности барабана, т.е. кулачковая муфта сообщена, а следовательно, втулка с барабаном могут вращаться только совместно.

2. Валы турбин двигателей сообщены с редуктором, а вал вентилятора сообщен с редуктором через понижающую ступень.

3. Положение втулки-сопла обеспечивает совмещение полости канала с воздухопроводом и боковым окном хвостовой части. В таком положении узлов производится раскрутка НВ с выводом его на необходимое число оборотов, причем, если подвижные лопасти НВ находятся во втянутом состоянии, то тогда управляющим импульсом прикрывается клапан перепуска жидкости в системе гидропривода барабана. В результате в системе создается давление, достаточное для сжатия пружины, перемещения барабана вниз по валу и вывода его из зацепления кулачков кулачковой муфты, но недостаточное для прижатия барабана к поверхности тормозного диска. В таком положении барабана на приводном валу подвижные лопасти центробежными силами перемещаются от оси вращения к переферии, увлекая за собой тянущие тросы и разматывая их с барабана при его свободном вращении вокруг вала. Перемещение лопастей ограничивается упорами, которые соприкасаются с резиновыми буферами, установленными на внешних концах штанг. Взлет вертолета-конвертоплана производится при максимальном диаметре НВ, а парирование вращательного момента, действующего на фюзеляж, осуществляется силой, возникающей в результате истечения в противоположную сторону воздушной струи из бокового окна В /фиг.2/ хвостовой части фюзеляжа. В этом режиме полета ЛА на привод вентилятора отбирается до 15% мощности силовой установки, а регулирование величины парирующей тяги может производиться путем дросселирования входящего воздушного потока при изменении сечения впускных окон. Часть входящего потока воздуха используется для охлаждения масла редуктора.

Для перехода к скоростному горизонтальному полету выполняют следующее:

1. Bce ступени редуктора, через которые осуществляется привод НВ, разобщаются с силовой установкой, а вал привода вентилятора на прямую сообщается с валами турбин двигателей.

2. Втулка-сопло сообщает воздухопровод с задним окном А /фиг.2/ хвостовой части фюзеляжа.

3. Управляющим импульсом полностью закрывают перепускной клапан 15, создавая тем самым рабочее давление жидкости в системе гидропривода барабана. В результате шток гидроцилиндра 14 воздействует через рычаг 13 и упорный подшипник 12 на упорную втулку 9, которая перемещает барабан 7, прижимая его к поверхности тормозного диска 8. На заторможенный барабан наматываются тянущие тросы 17, так как они продолжают вращение вместе с втулкой и лопастями НВ, причем, наматываясь, тросы подтягивают соответствующие лопасти к оси вращения до контакта комлей лопастей с подвижными элементами включателей 19 электроцепи перепускного клапана. При этом управляющий импульс открывает клапан и давление жидкости в системе гидропривода быстро падает. Падение давления в гидросистеме вызывает перемещение барабана усилием пружины к поверхности втулки НВ и соединение кулачковой муфты, т.е. фиксацию барабана по отношению к втулке, а следовательно, фиксацию лопастей на минимальном удалении от оси вращения. Несущий винт приведен к минимальному диаметру. В этом режиме полета вентилятор вращается с номинальным числом оборотов и потребляет всю мощность силовой установки, а горизонтальная тяга создается потоком воздуха, истекающего из втулки-сопла хвостовой части фюзеляжа. При этом НВ вращается в режиме авторотации с уменьшенным диаметром, а плоскость крыла частично или полностью /в зависимости от площади крыла/ разгружает НВ, что позволяет значительно снизить вредное сопротивление и увеличить скорость горизонтального полета. Для перехода от скоростного горизонтального полета к элементам вертолетного полета снижают скорость, а затем приводят узлы и детали подъемно-несуще-тяговой системы в со стояние, аналогичное режиму вертикального взлета.

В зависимости от назначения конвертоплана, например для скоростных /свыше 500 км/ч/ грузопассажирских перевозок, он может снабжаться плоскостью крыла с размахом и площадью, позволяющей полностью воспринимать вес всего ЛА при горизонтальном полете. В этом случае целесообразнее применять на конвертоплане НВ с только одной - подвижной по длине радиуса парой лопастей. Целесообразность этого заключается в том, что фиксированная пара лопастей при значительном размахе и площади крыла работает мало эффективно, в то же время НВ с одной парой лопастей не только упрощает конструкцию, но и позволяет использовать технические решения, связанные с уборкой несущего винта во внутрь фюзеляжа. По сравнению с существующими вертолетами использование заявленного вертолета-конвертоплана, например, для нужд армии позволит: 1. При десантных операциях в более короткий срок и на более дальнее расстояние перебросить десантную группу в любой район со сложным рельефом местности и произвести посадку с высадкой л/с. 2. При боевых операциях более результативно уклоняться от штурмовой авиации противника и обстрела наземных средств, а также активно противодействовать им. 3. Наличие дополнительной плоскости крыла, горизонтальной тяги, независящей от состояния несущего винта, а также отсутствие хвостового винта, значительно повышает живучесть ЛА и позволяет ему продолжить полет или совершить безопасную посадку при повреждении несущего винта или силовой установки.

Изобретение относится к конструкциям конвертопланов с несущим винтом. Вертолет-конвертоплан снабжается несущим винтом с приводом от силовой установки. Силовая установка образует единый блок, включающий двигатель, редуктор и вентилятор. Вентилятор работает в двух режимах - с пониженным числом оборотов и с номинальным числом оборотов. В хвостовой части фюзеляжа помещается поворотная втулка-сопло с внутренним Т-образным каналом, которая сообщается с воздуховодом вентилятора. В вертолетном режиме полета вентилятор при соответствующем положении втулки-сопла подает воздух в боковое окно для создания парирующей тяги вращательному моменту несущего винта. В скоростном горизонтальном полете воздух от вентилятора через втулку-сопло истекает из заднего окна хвостовой части фюзеляжа, создавая горизонтальную тягу. Техническим результатом изобретения является повышение скорости горизонтального полета, упрощение и повышение надежности системы горизонтальной тяги. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вертолет-конвертоплан, содержащий фюзеляж, плоскость крыла, силовую установку с редуктором, несущий винт переменного диаметра с подвижной по длине радиуса вращения парой лопастей, втулку винта, барабан, тянущие тросы и тормозной диск, отличающийся тем, что торцевые поверхности втулки винта и барабана снабжены выступами и пазами, образующими кулачковую муфту, втулка жестко связана с приводным валом, а барабан нагружен усилием пружины, прижимающей его к втулке винта через упорную втулку, которая жестко связана с барабаном и упорным подшипником, соединенным посредством рычага со штоком цилиндра гидропривода, в напорном трубопроводе которого установлен трехпозиционный управляемый перепускной клапан, под барабаном размещена тарелка тормозного диска, жестко соединенная с корпусом приводного вала, установленного с возможностью при полностью открытом перепускном клапане прижатия барабана усилием пружины к втулке винта посредством кулачковой муфты, при частичном прикрытии клапана за счет перемещения штока гидроцилиндра, рычага и через упорный подшипник втулки барабана - вывода из зацепления указанную кулачковую муфты для свободного вращения барабана на приводном валу, а при полном закрытии клапана - прижатия барабана к поверхности тарелки тормозного диска.2. Вертолет-конвертоплан по п.1, отличающийся тем, что он снабжен осевым вентилятором, установленным рядом с редуктором и работающим в двух режимах - с пониженным числом оборотов при соединении вала вентилятора с понижающей ступенью редуктора для нагнетания воздуха в воздухопровод только для парирования реактивного момента, действующего на фюзеляж в вертолетном режиме полета, и с номинальным числом оборотов при соединении вала вентилятора напрямую с валом силовой установки для нагнетания воздуха в воздухопровод и создания горизонтальной тяги в режиме скоростного полета.3. Вертолет-конвертоплан по п.2, отличающийся тем, что он снабжен поворотной втулкой-соплом с внутренним Т-образным каналом, установленной в концевой части фюзеляжа, а в корпусе фюзеляжа имеются боковое и заднее окна, причем втулка-сопло в режиме вертолетного полета сообщает воздухопровод с боковым окном фюзеляжа, а в режиме скоростного горизонтального полета втулка-сопло сообщает воздухопровод с задним окном фюзеляжа, что обеспечивает истечение потока воздуха из сопла и создание боковой или горизонтальной тяги.