СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЙ ИЛИ ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2012 года по МПК B64C39/00 B63H5/00 

Настоящее изобретение относится к транспортным аппаратам, а более точно к устройствам создания движущей силы для перемещения внешней среды и транспортных аппаратов в ней, может быть использовано в летательных и иных транспортных аппаратах, перемещаемых в газообразной и жидкой среде.

Известен способ создания в жидкой или газообразной среде подъемной силы для транспортных аппаратов посредством решетки пластин, например, при создании систем спасения для космических аппаратов, (см. Л.Г.Лойцянский. Механика жидкости и газов. М.: Физматгиз, 1959 г.). Это способ создания в газообразной или жидкой среде движущей силы транспортного аппарата включает относительное перемещение рабочей среды и профилированной рабочей плоскости, когда на передней поверхности плоскости крыла создают набегающий поток среды, разворачивают его и на задней поверхности плоскости создают касательный поток со скоростью большей, чем скорость набегающего потока. Импульс потока формирует подъемную силу. Сила, создаваемая решетчатым крылом, может быть больше подъемной силы обычного крыла, но для получения большой подъемной силы крыло необходимо размещать поперек потока, лобовое сопротивление является высоким. Жестоко заданная периодическая структура решетки профилей ограничивает возможности и область применения такого крыла.

В настоящее время известен способ создания движущей силы летательного аппарата центробежным винтом (см. патент DE №3120345 от 09.12.1982). В этом способе посредством центробежного винта, на передней поверхности плоскости которого создают набегающий поток среды и избыточным давлением его скоростного напора поток ориентируют аксиально и радиально и затем аксиально направленными неподвижными пластинами внешнюю среду приводят в аксиальное движение вдоль оси винта. Всем этим создается аксиально-направленный импульс, формирующий движущую силу аппарата. Недостатком способа является относительно низкая скорость потока среды, создаваемого винтом, чем снижается тяговое усилие и область его применения.

В настоящее время известен и способ придания движущей силы транспортным аппаратам, перемещающимся в жидкой или газообразной среде, например, летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, обладающих одним или двумя сосными винтами. Известен, например, способ создания движущей силы вертолетов, включающих различные конструкции с вертикально ориентированными винтами (см. Изаксон A.M. Советское вертолетостроение. М.: Машиностроение, 1991).

Этот способ создания движущей силы включает создание набегающего на винт потока среды и формирование подъемной силы, перемещающей аппарат, избыточным давлением его скоростного напора. В нем происходит формирование вихревого движения вокруг лопасти винта и отклонение направления потока среды при ее взаимодействии с вихрем. Недостатком является невысокая энергетическая и геометрическая эффективность преобразования мощности двигателя в усилие и как следствие этого большие габариты винта, выходящие за размеры корпуса аппарата. Подъемная сила аппарата ограничена малостью угла наклона рабочей плоскости винта, что вызвано возникающим срывом потока и образующимися неустойчивостями его работы. Сложность поведения больших вращающихся лопастей усложняет аппарат, увеличивая его стоимость. Этим ухудшается безопасность и сужается применение устройств, использующих способ.

Наиболее близким к изобретению по сущности и достигаемому результату является способ создания движущей силы в жидкой или газообразной среде воздействием давления скоростного напора потока среды, набегающей на переднюю и боковую кромки периферии плоскости винта, и приводимого затем в азимутальное и аксиальное движение, прежде всего перед передней плоскостью винта (см. патент РФ №2380281 от 27.01.2010 г.), при этом весь поток среды перемещают над передней, верхней поверхностью транспортного аппарата в виде относительно тонкого слоя, определяемого размерами винта, а затем около торовидно изогнутой внешней поверхности аппарата. При этом скорость формируемого потока близка к скорости азимутального движения кромки винта, а радиус изогнутости торовидной части должен быть сравним с высотой винта, что ограничивает подъемную силу и область применения такого аппарата.

Известен транспортный аппарат, перемещаемый в среде, например, летательный аппарат, включающий винт в виде центробежного вентилятора, содержащего радиальные профилированные лопатки. Это устройство для создания движущей силы в газовой или жидкой среде включает движущуюся профилированную рабочую плоскость. Вентилятор размещен в аппарате, не выходит за его размеры и создает поток среды, направленный вдоль оси устройства импульс, приводящий его в движение, чем и формируется движущая сила (см. патент DE №3120345 от 09.12.1982). При этом скорость формируемого потока близка к скорости внешней кромки винта, но поток среды, приведенной в движение, относительно мал, что ограничивает формируемый в аппарате импульс и движущую силу. Недостатком транспортного аппарата является низкая эффективность преобразования энергии вращения центробежного вентилятора в движущую силу аппарата, чем сужается область его применения.

Известен транспортный аппарат, перемещающийся в жидкой или газообразной среде, например, летательный аппарат, обладающий винтом (см. Изаксон A.M. Советское вертолетостроение. М.: Машиностроение, 1991). Устройство содержит профилированные рабочие плоскости, выполненные в виде винта. Винт приводит среду в аксиальное движение вдоль оси, чем создается сила, приводящая аппарат в движение. Недостатком транспортного аппарата являются его большие размеры - диаметр винта, сложность его конструкции и малая эффективность преобразования мощности двигателя в движущую силу, сужающие область применимости.

Наиболее близким к изобретению по сущности и достигаемому результату является устройство для создания в жидкой или газообразной среде подъемной силы посредством центробежного винта, поток от которого размещен над корпусом аппарата (см. патент РФ №2380281 от 27.01.2010 г.). Устройство содержит центробежный винт в виде группы профилированных плоскостей, движущихся относительно среды и создающих аксиально и азимутально направленный поток, чем создается сила, удерживающая транспортный аппарат в воздухе в процессе его движения. Для повышения эффективности аппарата организуют движение потока над торовидной частью его корпуса. При этом скорость формируемого потока близка к скорости азимутального движения кромки винта, а радиус кривизны торовидной части должен быть сравним с высотой винта, это требует создания больших винтов, ограничивает подъемную силу и область применения такого аппарата.

В основе изобретения лежит задача - разработать способ приведения в движение транспортного аппарата в газовой или жидкой среде, более эффективно преобразующий мощность привода в движение.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является расширение области применения транспортных аппаратов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что реализуется способ приведения в движение транспортного аппарата в газовой или жидкой среде действием давления скоростного напора потока среды, набегающей на переднюю и боковую кромки периферии плоскости винта, характеризующийся тем, что на периферии плоскостей поток разворачивают и на их задней поверхности создают поток касательный плоскости, создавая зону разрежения на ней, и в эту зону эжектируют дополнительный поток среды, сформированный винтом азимутально и аксиально движущийся поток среды направляют на неподвижные плоскости, на периферии которых поток разворачивают и на задней их поверхности создают касательный поток среды со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая зону разрежения, куда также эжектируют поток из внешней среды.

Сущность способа заключена в том, что создают скоростной напор потока среды, набегающей на винт, но, в отличие от варианта обычного «толстого» крыла или винта, когда в результате удваивают скорость потока над и под крылом и затем формируют вихрь, в способе более чем вдвое увеличивают скорость потока только за плоскостью. А поэтому растет разрежение над ней, идет эжекция и ускорение массы к задней плоскости крыла или винта и растет подъемная движущая сила, формируемая способом.

При этом поток на передней кромке задней поверхности направляют от корня к боковой кромке плоскости, пересекают его с потоком, закрученным вдоль боковой кромки задней поверхности плоскости, и при их взаимодействии создают силу, ориентированную вдоль плоскости крыла или винта, а скоростным потоком среды на задней кромке задней поверхности плоскости предотвращают срыв пограничного слоя с него. В этом случае поверхностный поток, формируемый структурой профилей в передней кромке плоскости крыла или винта, взаимодействует с вихрем, формируемым структурой профилей на их боковой кромке, и в результате возникает сила, касательная плоскости и направленная перпендикулярно потоку, формируемому передней кромкой. Она лежит в плоскости крыла или винта, и если плоскость профилирована и ориентирована своей частью поперек набегающего потока, то подъемная (движущая) сила, формируемая устройством, растет. При этом поток, формируемый на боковой кромке поверхности, создает разрежение вдоль нее, и тем самым идет отсос массы из области пристеночной зоны задней поверхности. Но известно, что отсасывание даже небольшой части потока с задней поверхности крыла предотвращает срыв пограничного слоя с него, делает поток ламинарным и уменьшает лобовое сопротивление крыла, что позволяет в нашем случае создавать подъемную силу даже при больших углах атаки лопасти винта без срывов потока. При этом поток, сформированный винтом, движущийся азимутально и аксиально, направляют на выходе на неподвижные плоскости, на периферии которых поток разворачивают и на их задней поверхности создают касательный поток среды со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая разрежение в этой области, и в этот быстрый поток эжектируют дополнительную массу из внешней среды, приводя весь поток в движение и тем самым формируя импульс, создающий движущую силу аппарата. Сущность этого способа заключается в том, что азимутальная составляющая потока, сформированного винтом, преобразуется в аксиальную составляющую потока, приводя аппарат в движение, направленное вдоль оси винта и против движения струи.

Возможен способ, в котором эжектируемый в зону разрежения лопастей винта поток внешней среды вводят над передней или верхней поверхностью транспортного аппарата, выполненной выпуклой, а выводят у вогнутой боковой или нижней поверхности.

В этом случае поверхность является передней относительно направления движения эжектируемого винтом потока и верхней относительно основного режима работы (висения) аппарата в гравитационном поле земли. Важно, что при этом отношение подъемной силы, формируемой поверхностью аппарата, над которой течет эжектируемый поток, к силе от реактивного импульса, формируемого самим этим потоком среды, пропорционально отношению сечения потока струи к квадрату отношения расстояния точки входа струи потока (или как точки стока) от этой поверхности. А значит дополнительная подъемная или тянущая сила, формируемая при взаимодействии эжектируемого винтом потока среды с неподвижной поверхностью корпуса аппарата, может быть достаточно большой.

Возможен способ, характеризующийся тем, что после приведения потока среды в азимутальное и аксиальное движение дополнительными винтами, соосными с основным винтом, один или более раз направление азимутального движения потока меняют на противоположное, на периферии плоскостей винтов поток разворачивают, на их задней поверхности создают касательный поток со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая разрежение в этой области, и в этот поток эжектируют дополнительный поток внешней среды, приводя весь поток в азимутальное и аксиальное движение, в результате чего формируют импульс, создающий движущую силу аппарата.

Сущность этого способа заключается в том, что в этом случае на передней кромке каждого последующего винта скорость азимутального движения потока, сформированного предыдущим винтом, суммируется со скоростью встречного азимутального движения последующего винта. Общая скорость падения потока на его поверхность удваивается, растет скорость потока, формируемого за этой плоскостью, и разрежение, формируемое на задней поверхности плоскости винта, учетверяется в сравнении с обычным вращающимся винтом. Это увеличивает скорость эжекции массы среды к винту и величину подъемной (тянущей) силы, формируемой винтом и всем аппаратом. Это особенно существенно, когда в соответствии с основным способом эжектируемый поток взаимодействует с передней, верхней поверхностью аппарата, поскольку величина подъемной силы, формируемой этой поверхностью, квадратично зависит от величины эжектируемого массопотока среды.

Сформированный винтом движущийся азимутально и аксиально поток среды направляют на неподвижные плоскости, на периферии которых поток разворачивают и на их задней поверхности создают касательный поток со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая разрежение в этой области, и в этот быстрый поток эжектируют дополнительную массу из внешней среды.

При вертикальном расположении винта азимутальная составляющая скорости потока, сформированного винтом, преобразуется в аксиальную составляющую потока среды, в который затем эжектируют дополнительный поток среды, формируя импульс, создающий движущую силу аппарата.

А в случае горизонтального расположения винта на корпусе аппарата в полезную, тяговую составляющую силы при взаимодействии с неподвижными профилированными плоскостями, расположенными у верхней поверхности корпуса, преобразуется аксиальная составляющая скорости потока среды, сформированного винтом с его профилированными плоскостями, и важно, что неподвижная плоскость работает и как динамический клапан.

Для осуществления способа используют транспортный аппарат, включающий корпус с верхней, боковой и нижней поверхностями, винты с лопастями и неподвижные плоскости, характеризующийся тем, что винты лежат вблизи верхней, передней поверхности аппарата, на периферии плоскостей лопастей и неподвижных плоскостей размещена структура профилей с ее элементами, профили элементов структуры передней кромкой ориентированы по набегающему потоку, а их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей, элементы структуры профилей на передней кромке лопасти винтов ориентированы веерообразно, элементы структуры профилей боковой кромки лопасти винтов ориентированы радиально, на боковой кромке неподвижных плоскостей элементы структуры профилей ориентированы радиально, профили изогнуты и их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей по потоку.

Известно, что разрежение, создаваемое на задней поверхности лопасти, квадратично зависит от скорости потока газа над ней и потому от скорости ее вращения. Известно и то, что в решетке рост скорости потока за ней растет пропорционально тангенсу угла, на который решетка отклоняет набегающий исходный поток, а это при больших углах очень сильная зависимость, и при углах, больших 50°, рост скорости превышает удвоение и быстро растет и далее. Так же резко растет и разрежение на лопасти винта, у которого на периферии размещена структура крыловых профилей. Структура профилей названа так, поскольку она не является жесткой решеткой профилей и ее элементы не фиксированы с жесткой регулярностью при их размещении на разных участках периферии винта или крыла. При работе в целом, в этом случае на периферии винта в области формируемой структуры профилей, на лопастях формируется область разрежения, в которую идет подсос массы как с передней, так и с боковой части поверхности области. Скорость потока, вытекающего с нижней торцевой части, достигает и может превышать более чем вдвое скорость внешней кромки винта, идет передача импульса винта всей всасываемой массе, область работает как массовое сопло, а скорость потока в целом падает.

Это позволяет в реализуемом согласно данному способу транспортном аппарате получить подъемную (движущую) силу, при меньших размерах (диаметре) винта, вплоть до размеров, сравнимых и даже меньших, чем корпус аппарата. Поскольку идет передача продольного импульса большой подсасываемой массе уже в области винта, то подобно передаче продольного импульса большой массе газа во вторичных контурах многоконтурного реактивного двигателя, растет и общая энергетическая эффективность устройства. Взаимодействие же потока, эжектируемого винтом, с корпусом аппарата еще больше увеличивает его эффективность, как геометрическую, так и энергетическую. Это расширяет область применения вплоть до безопасного применения в условиях города.

Возможен транспортный аппарат, характеризующийся тем, что винты размещены вблизи верхней передней поверхности профилированного корпуса аппарата, направление осей валов винтов лежит вдоль поверхности, профиль верхней поверхности корпуса в центральной части выполнен выпуклым и гладко подходящим к области размещения винтов, винты частично прикрыты корпусом аппарата в нижней и боковой их части, корпус имеет острую кромку в месте нижнего сопряжения с винтом и неподвижную плоскость со структурой профилей в области верхнего сопряжения с винтом, нижняя часть боковых поверхностей корпуса выполнена вогнутой и гладко переходит в нижнюю поверхность аппарата.

Как уже было описано ранее, при этом отношение подъемной силы, формируемой поверхностью корпуса транспортного аппарата, над которой течет эжектируемый поток, к силе от реактивного импульса, формируемого этим потоком среды, пропорционально отношению сечения струи потока к квадрату отношения расстояния оси струи потока от поверхности. А значит в случае протяженного винта пропорционально отношению длины винта к его радиусу. А поскольку в этом случае это отношение может быть большим, то подъемная и тянущая сила от взаимодействия потока внешней среды, формируемой и эжектируемой протяженным поперечным винтом, может быть еще более увеличена.

Винты частично прикрыты корпусом аппарата в нижней и боковой их частях, и корпус имеет острую кромку в месте нижнего сопряжения с винтом и неподвижную поверхность со структурой профилей в области верхнего сопряжения с винтом. Существенным аспектом, определяющим работу горизонтально расположенного винта в качестве устройства, создающего тяговое усилие, является наличие структуры профилей на неподвижной поверхности плоскости, прикрывающей винт. Этим экранируют противоток потока среды из нижней полуплоскости аппарата к верхней полуплоскости и создают разрежение над верхней частью корпуса, находящейся вблизи винта.

В этом случае винт, вращаясь и набегая на относительно неподвижную внешнюю среду, действием структуры профилей преобразует движение из плоского в объемное и отбрасывает поток вдоль оси винта со скоростью, большей азимутальной скорости внешней кромки винта. Тем самым фактически создается кольцевая область разрежения вокруг оси винта на его периферии. К этой кольцевой области разрежения идет подток массы со всех сторон, кроме той части, которая прикрыта поверхностью, профилированной в виде сектора цилиндра, выполненного в части корпуса аппарата, и закрывающей нижнюю зону горизонтального винта. Лопасти на открытом участке совершают движение, подобное маху крыльев птиц вниз.

Существенно, что при подобном выполнении горизонтальных винтов аппарата наряду с перпендикулярным подъемным усилием создается и аксиальное тянущее усилие.

Полезно, когда в области сопряжения с длинным продольным винтом нижняя часть боковой поверхности аппарата выполнена вогнутой и гладко переходит в нижнюю поверхность аппарата. В этом случае тонкий пристеночный поток, формируемый винтом, разворачиваясь от почти горизонтального движения к почти вертикальному, передает свой импульс аппарату. Этот пристеночный поток среды является областью, в которую идет эжекция внешней среды таким образом, что это также способствует увеличению подъемной силы аппарата.

В рассматриваемом случае целесообразно выполнение транспортного аппарата с двумя, четырьмя и даже большим количеством параллельных горизонтальных винтов расположенных вдоль протяженного корпуса аппарата вблизи пересечения верхней и боковой его поверхностей. Этим, при расположении винтов по углам четырехугольного в плане корпуса транспортного аппарата, изменением скорости их вращения может быть обеспечено оперативное управление любым его движением без применения каких-либо дополнительных поверхностей и устройств. Важно, что с ростом количества боковых винтов растет надежность аппарата, и при аварийном отказе одного из них последствия становятся менее опасными.

При необходимости корпус аппарата может быть выполнен с формой в виде профиля крыла вдоль продольной оси корпуса аппарата. Это необходимо для создания условий его аварийного планирования.

В аппарате на корпусе параллельно горизонтальным винтам могут быть размещены дополнительные плоскости, профилированные с выпуклостью вверх вдоль верхней и нижней поверхностей которых идет подсос массы к винтам и которые, тем самым увеличивают подъемную силу транспортного аппарата. Эти плоскости могут быть использованы в качестве элементов системы аварийного спасения экипажа и пассажиров.

Боковая поверхность аппарата должна быть достаточно большой по ее высоте, большей радиуса поперечного сечения винта. Это обусловлено тем, что формируемый винтом и текущий вдоль поверхности поток представляет собой заглубленную струю, идет эжекция внешней среды в эту струю, скорость потока вдоль нее падает, и поэтому с ростом высоты боковой поверхности снижается негативная роль донного эффекта на участке вблизи нижней поверхности корпуса аппарата. При этом полезно, чтобы нижний край боковой поверхности аппарата был выполнен с острой кромкой и выполнен заедино с нижней поверхностью корпуса аппарата.

Возможен транспортный аппарат, характеризующийся тем, что верхняя передняя поверхность корпуса аппарата выполнена прогнутой и гладко переходящей в открытую снизу цилиндрическую трубчатую полость, нижняя часть которой выходит на расстоянии от нижней поверхности аппарата, в цилиндрической трубчатой полости размещены винты и неподвижные плоскости со структурой профилей.

Как уже было описано ранее, в предлагаемом способе при взаимодействии потока, истекающего или стекающего в его источник, с поверхностью аппарата формируется сила, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния точки нахождения истока или стока от поверхности. А поэтому в нашем случае мы должны размещать расположенный сверху тянущий винт максимально близко к этой поверхности, а точку выхода потока из винта максимально отодвигать от нижней полуплоскости верхней поверхности аппарата.

При этом, если горячий выхлоп двигателя выводить над верхней поверхностью корпуса транспортного аппарата (как с вертикальным, так и в случае с горизонтальным винтом), то таким образом создается дополнительное разрежение над этой поверхностью, и подъемная сила аппарата вырастет.

Подобное выполнение стало возможным, поскольку предлагаемый винт допускает выполнение с минимальными геометрическими размерами при максимально высокой его массовой производительности. Для управления предлагаемым аппаратом на выходе из цилиндрической трубчатой полости размещены две или более управляющие поверхности, отклонение которых приводит истекающий из полости поток в направлении, требуемом для совершения необходимого вращательного или иного транспортного маневра.

Управляющие поверхности и иные элементы системы управления могут быть также внешними и размещены на корпусе аппарата. На корпусе или в корпусе аппарата размещены кабина для экипажа и (или) система дистанционного управления, а также двигатель и иные системы, обеспечивающие полезное использование аппарата, например, шасси для его перемещения по поверхности и по шоссе.

Наклон винта и цилиндрической трубчатой полости, в которой размещен винт, к верхней передней поверхности профилированного корпуса аппарата определяется тем, как «по вертолетному» или «по самолетному» планируется движение аппарата. В первом случае наличие разрежения над передней, верхней поверхностью транспортного аппарата и избыточного давления от потока, истекающего из цилиндрической трубчатой полости, позволяют совершать движение после наклона тела аппарата вперед. Во втором случае верхнюю поверхность или корпус транспортного аппарата выполняют в виде крыла, наклон цилиндрической трубчатой части выполняется назад по движению, причем с положительным углом наклона крыловой части аппарата к направлению его движения.

Возможен транспортный аппарат, содержащий более чем один винт, причем лопасти винтов вращаются встречно в противоположно меняющихся направлениях через один, циклически, элементы структуры профилей на боковой кромке периферии плоскости лопастей винтов ориентированы радиально поперек набегающего потока, а их профили изогнуты и их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей по потоку.

Как уже было описано ранее при описании предлагаемого способа, при этом уже при двух встречно вращающихся винтах происходит удвоение скорости аксиального потока, формируемого подобным винтом. При росте числа встречных каскадов идет еще большее увеличение аксиальной скорости, формируемой подобным устройством. Важно, что в устройстве структура (решетка) профилей на вращающихся лопатках выполнена вдоль оси устройства, а не кольцевой, поперек потока, как в случае венцов осевых турбин, и поперечное сечение апертуры турбины не затенено лопатками. А потому данный каскад винтов на выходе формирует не давление, а скоростной поток рабочей среды, что важно для высокоскоростных аппаратов. Именно поэтому он интересен и применен в открытом варианте исполнения, когда идет и эжекционный подсос вещества внешней среды.

Для реализации данного способа винты с их лопастями разбивают попеременно на две группы. Каждую первую пару лопастей винтов объединяют и закрепляют на общей центральной оси устройства их корневыми элементами. Во второй группе каждую вторую пару лопастей винтов за их внешние кромки объединяют и закрепляют на общей рамке, которая со скольжением на подшипниках также вращается на центральной оси вала. Привод возможен и независимый для каждой группы винтов, так и в случае объединения их общим редуктором возможно оппозитное вращение с одинаковой частотой.

Такое конструктивное выполнение транспортного аппарата позволяет повысить его энергетическую эффективность и уменьшить его геометрические размеры.

Цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего примера его осуществления и предлагаемых чертежей, на которых:

фиг.1. - транспортный аппарат с размещением горизонтальных винтов на боковой поверхности аппарата (схематически);

фиг.2. - вид аппарата в области горизонтального винта с четырьмя лопатками и двигателем (схематически);

фиг.3. - транспортный аппарат с вертикальным каскадным вариантом выполнения винтов в центральной части аппарата (схематически).

Примеры выполнения устройства

На фигурах 1, 2 и 3 схематически изображен транспортный аппарат, который представляет конструкцию, включающую корпус 1, в котором размещены полезный груз, включая экипаж, и элементы системы управления аппаратом. Двигатели 2 и система питания двигателей могут быть размещены на корпусе аппарата 1 снаружи, внутри него или на консоли. На валу двигателя 2. непосредственно или после редуктора размещены двухлопастные или многолопастные винты 3. Неподвижные плоскости 4 размещены на корпусе аппарата 1 и находятся в потоке среды, создаваемом винтами 3. Корпус аппарата 1 содержит верхнюю 5, боковую 6 и нижнюю 7 профилированные поверхности. Лопасти винта 3 и неподвижные плоскости 4 содержат на периферии их плоскостей структуру профилей 8 с профилированными элементами 9. Лопасти винта могут быть закреплены как непосредственно на цилиндрическом валу 10, так и на охватывающем их внешнем каркасе 11. Возможна установка и дополнительных плоскостей 12, которые могут содержать структуру профилей 8 с ее профилированными элементами 9. Кроме того, на корпусе и в корпусе аппарата 1 размещены не выделенные или не указанные на схеме элементы системы управления аппаратом, например, элероны или шасси.

Устройство работает следующим образом.

Опишем работу данного устройства последовательно на примерах тех вариантов, что показаны на фиг.1 и 2. Вращением винта 3 на валу 10 с помощью двигателя 2 создают скоростной напор потока среды на лопасти винта 3. Структура профилей 8 из профилированных элементов 9, находящихся на периферии плоскости лопастей 3, разворачивает набегающий поток и направляет вдоль задней поверхности плоскости. После разворота профилированными элементами 9 поток среды движется за ними полого к структуре профилей 8 и к плоскости лопасти винта 3, но его скорость увеличивается и даже при соответствующей геометрии профилей более чем вдвое. Идет мультипликация, и взаимное усиление потоков среды, формируемых последовательно размещенными друг за другом элементами 9 структуры профилей 8, увеличивается разрежение над ним, идет подсос к ним и ускорение массы среды в области, омываемой вращающимся винтом 3. Растет подъемная или движущая сила, формируемая способом.

Существенны и более тонкие аспекты профилирования элементов структуры размещенной на периферии лопасти винта 3. Прежде всего, поток на передней кромке задней поверхности лопасти направляют от корня к боковой кромке задней поверхности плоскости, где пересекают с потоком, закрученным вдоль этой кромки плоскости, вдоль которой элементы ориентированы веерообразно. И в результате взаимодействия этих потоков создают силу, ориентированную вдоль плоскости. Сила пропорциональна векторному произведению радиальной составляющей набегающего потока на ротор вихря, формируемого закрученным потоком от веерообразно размещенных элементов решетки.

Существенен и еще один аспект работы устройства. На задней и боковой кромках задней поверхности лопасти винта 3 скоростной поток от структуры профилей 8, отсасывая пристеночный поток на себя, предотвращает срыв пограничного слоя и тем самым позволяет обеспечивать его работу при больших углах атаки лопасти винта, фактически поперек набегающего потока, а этим и увеличить его подъемную силу.

Поэтому часть периметра винта, включающая переднюю и боковую части винта, на которой идет подсос к нему массы с относительно небольшой входной скоростью потока, изначально больше той, донной, торцевой части, на которой идет сток потока. Устройство в этом случае представляет собой массовое сопло, а поэтому в нем возможны режимы, когда продольная скорость потока на выходе становится сравнимой или даже большей, чем скорость окружной кромки лопасти винта.

Важно и то, что в предлагаемой конструкции винта 3 длина может быть сравнима и даже намного больше радиуса. При большой длине винта возможен режим, когда винт устанавливается поперек потока и работает, создавая подъемную силу или тянущее усилие перпендикулярно оси винта. В этом случае лопасти винта 3 подхватывают среду своей боковой кромкой и затем ускоряют его до азимутальной скорости кромки винта. Важно, что наличие структуры профилей 8 из профилированных элементов 9, находящихся на периферии плоскости лопастей 3, разворачивает среду, набегающую на лопасть винта, и направляет поток вдоль плоскости, наряду с формированием подъемного усилия создавая и тянущее усилие для аппарата. Для предотвращения нейтрализации эффекта на обратном полуходе лопасти винта 3 вверх корпус 1 выполнен так, что имеет острую кромку в месте нижнего сопряжения с винтом 3 и неподвижную поверхность 4 со структурой профилей 8 у его верхнего сопряжения с винтом. Таким образом, в зоне, в которой корпус прикрывает винт, создаются условия, когда в полости между винтом и боковой поверхностью 6 корпуса 1 за счет касательного движения потока среды в ней на нижней поверхности 6 полости создается разрежение. А на нижней части неподвижной поверхности 4 со структурой профилей 8 за счет лобового падения потока создается избыточное давление.

Кроме того, над верхней, задней поверхностью 4 структуры профилей 8 за счет того, что в этой зоне поток движется касательно поверхности плоскости и верхней 5 профилированной поверхности корпуса аппарата 1, создается дополнительное разрежение. Важно также, что поток среды над верхней, задней поверхностью 4 структуры профилей 8 направлен вдоль винта 3 и против направления движения аппарата, создавая тянущее усилие. Верхняя поверхность 5 корпуса 1 выполнена выпуклой с краями, спадающими полого к боковым продольным винтам 3. Сток потока среды вдоль верхней поверхности 5 корпуса 1 к винтам 3 создает разрежение на ней и увеличивает подъемную силу аппарата.

Нижняя часть боковой поверхности 6 аппарата выполнена вогнутой и гладко переходит в нижнюю поверхность 7 корпуса аппарата. К скоростному потоку от винта 3, текущему вдоль вогнутой поверхности 7, идет подсос среды, который также способствует росту подъемной силы аппарата. При этом увеличение длины верхней выпуклой поверхности корпуса 5, вогнутой поверхности 7 и расстояния между острыми кромками корпуса 1 в его крайней боковой части и в крайней нижней части полезно для устройства. Корпус 1 может дополнительно быть профилирован и вдоль его оси, например, профиль может быть выполнен в форме профиля крыла. Все эти факторы способствуют росту тянущей и подъемной силы устройства. В хвостовой части профиля возможна установка плоскостей для управления движением аппарата по направлению и высоте.

Возможна установка и дополнительных плоскостей 12, которые могут содержать структуру профилей 8 с ее профилированными элементами 9. Это увеличивает площадь поверхности, вдоль которой течет поток среды к длинному продольному винту, а тем самым также увеличивает подъемную силу аппарата, а также эти плоскости важны при аварийном планировании аппарата, при аварийном планировании важную роль играет и наличие структуры профилей 8, выполненных на них. Целесообразен вариант, когда эти плоскости обладают возможностью их складывания после полета.

В случае аппарата с вертикальным размещением винтов в центральной части аппарата, представленного на фиг.3, закономерности в основном сохраняются. При этом целесообразен вариант выполнения винта с встречным направлением вращения и каскада из двух и более встречных винтов. При этом скорость азимутального набегания потока среды на каждую последующую лопасть винта от предыдущей лопасти удваивается, а скорость аксиального движения потока среды от последующих лопастей суммируется. Неподвижные плоскости 4 со структурой профилей 8 из профилированных элементов 9, азимутально набегающий поток от винта 3 направляют аксиально вдоль плоскости 4. К этому аксиальному потоку идет радиальный подсос потока среды, который посредством структуры профилей 8 из кольцевых элементов 9 также направляют аксиально.

Группа изобретений относится к транспортным аппаратам. Способ приведения в движение транспортного аппарата характеризуется тем, что на периферии лопастей поток разворачивают и на их задней поверхности создают поток, касательный лопасти, создавая зону разрежения, в которую эжектируют дополнительный поток среды, сформированный винтом азимутально и аксиально. Движущийся поток среды направляют на неподвижные плоскости, на периферии которых поток разворачивают и на задней их поверхности создают касательный поток среды со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая зону разрежения, куда эжектируют поток из внешней среды. Транспортный аппарат включает корпус с верхней, боковой и нижней поверхностями, винты с лопастями и неподвижные плоскости. Винты лежат вблизи верхней, передней поверхностей аппарата. На периферии плоскостей лопастей и неподвижных плоскостей размещена структура профилей с элементами. Профили элементов структуры передней кромкой ориентированы по набегающему потоку, а их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей. Элементы структуры профилей на передней кромке лопасти винтов ориентированы веерообразно. Группа изобретений направлена на расширение арсенала технических средств. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ приведения в движение транспортного аппарата в газовой или жидкой среде действием давления скоростного напора потока среды, набегающей на переднюю и боковую кромки периферии лопастей винта, отличающийся тем, что на периферии лопастей поток разворачивают и на их задней поверхности создают поток касательный лопасти, создавая зону разрежения на ней, и в эту зону эжектируют дополнительный поток среды, сформированный винтом азимутально и аксиально, движущийся поток среды направляют на неподвижные плоскости, на периферии которых поток разворачивают и на задней их поверхности создают касательный поток среды со скоростью, большей скорости набегающего потока, создавая зону разрежения, куда также эжектируют поток из внешней среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток внешней среды, эжектируемый в зону разрежения, вводят над передней или верхней поверхностью транспортного аппарата, выполненной выпуклой, а выводят у вогнутой боковой или нижней поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после приведения потока в азимутальное и аксиальное движение дополнительными винтами, соосными с основным винтом, один или более раз направление азимутального движения потока меняют на противоположное.

4. Транспортный аппарат, включающий корпус с его верхней, боковой и нижней поверхностями, винты с лопастями и неподвижные плоскости, отличающийся тем, что винты лежат вблизи верхней передней поверхности аппарата, на периферии плоскостей лопастей и неподвижных плоскостей размещена структура профилей с ее элементами, профили элементов структуры передней кромкой ориентированы по набегающему потоку, а их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей, элементы структуры профилей на передней кромке лопасти винтов ориентированы веерообразно, элементы структуры профилей боковой кромки лопасти винтов ориентированы радиально, на боковой кромке неподвижных плоскостей элементы структуры профилей ориентированы радиально, профили изогнуты и их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей по потоку.

5. Транспортный аппарат по п.4, отличающийся тем, что винты размещены вблизи верхней передней поверхности профилированного корпуса аппарата и направление валов винтов лежит вдоль поверхности, профиль верхней поверхности корпуса в центральной части выполнен выпуклым и гладко подходящим к области размещения винтов, винты частично прикрыты корпусом аппарата в нижней и боковой их частях, причем корпус имеет острую кромку в месте нижнего сопряжения с винтом и неподвижную поверхность со структурой профилей в области верхнего сопряжения с винтом, нижняя часть боковых поверхностей выполнена вогнутой и гладко переходит в нижнюю поверхность аппарата.

6. Транспортный аппарат по п.4, отличающийся тем, что верхняя передняя поверхность корпуса аппарата выполнена прогнутой и гладко переходящей в открытую снизу цилиндрическую трубчатую полость, нижняя часть которой выходит на расстоянии от нижней поверхности аппарата, в цилиндрической трубчатой полости размещены винты и неподвижные плоскости со структурой профилей.

7. Транспортный аппарат по п.4, отличающийся тем, что содержит более чем один винт, причем лопасти этих винтов вращаются встречно в противоположно меняющихся направлениях через один, циклически, элементы структуры профилей на боковой кромке периферии плоскости лопастей винтов ориентированы радиально поперек набегающего потока, а их профили изогнуты и их задние кромки направлены полого вдоль плоскостей по потоку.