САМОЛЕТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ МУХАМЕДОВА НА ПРЫЖКОВОМ ШАССИ Российский патент 2013 года по МПК B64C29/00 

Предлагаемое изобретение относиться к авиации и может быть использовано при создании самолетов вертикального взлета и посадки гражданского и военного назначения с использованием существующих в настоящее время технологий авиастроения и двигателестроения. Более конкретно предлагаемое изобретение направлено на создание самолета вертикального взлета и посадки гражданского и военного назначения, способного выполнять как вертикальный взлет, так и взлет по самолетному с обеспечением безопасности режимов взлет/посадка за счет использования автоматизированного управления.

Современные достижения в авиастроении и еще больше в двигателестроении, автомобилестроении, информационных технологиях, в новых композиционных материалах, бортовом радиоэлектронном оборудовании и электронных системах дистанционного управления в системах навигации и автоматического управления полетами позволяют решить технические задачи по созданию массового самолета вертикального взлета и посадки, способного конкурировать с перспективными самолетами и вертолетами.

Так известно, что генетическими недостатками вертолетных винтов являются их большие диаметры, различные условия работы лопастей в набегающем потоке, маленькие нагрузки на сметаемую площадь, скорости полетов, ограниченные пределами 350-400 км/ час, небольшие ресурсы лопастей и трансмиссий несущих и хвостовых винтов. При этом самолеты вертикального взлета и посадки с поворотными несущими винтами, конвертопланы типа V-22 «Оспрей», ВА-609, фактически также представляют собой вертолеты поперечной схемы, с дополнительными гидромеханизмами для поворота винтов или винтов вместе с турбовинтовым двигателем, которые существенно усложнили конструкцию этих аппаратов, ограничили условия их эксплуатации и не позволяют им стартовать по самолетному.

Самолеты вертикального взлета и посадки с подъемными турбореактивными двигателями, турбореактивными двухконтурными двигателями (самолеты «Харриер», Як-141 и F-35) имеют высоконапорные вентиляторы с сверхзвуковыми скоростями истечения потока, что ограничивает их применение по шуму и эрозии грунта, то есть использовании подобных самолетов не отвечает требованиям создания летательных аппаратов гражданского назначения.

На сегодняшний день из всех движителей технически совершенными являются маршевые вентиляторы турбореактивных двигателей большой степени двухконтурности, например 3-метровый вентилятор турбореактивного двигателя «Трент» со степенью повышения давления 1,6 имеет стартовую тягу 50 тонн, удельную нагрузку на сметаемую площадь 7000 кг/м². Дальнейшему увеличению диаметра вентиляторов подобных двигателей с целью повышения их экономичности и тяговых характеристик, препятствуют проблемы размещения их на самолетах нормальной аэродинамической схемы, но ничто не мешает размещению этих вентиляторов горизонтально, с приводом от турбовых двигателей или турбореактивных двухконтурных двигателей различных мощностей и тяг. Такой подход позволит создать целую гамму подьемно-маршевых силовых установок с различными вертикальными тягами 3,5-90 и больше тонн для применения их в качестве подъемных силовых установок самолетов вертикального взлета и посадки. Например, подъемный вентилятор самолета вертикального взлета и посадки XV-5A разработки 1960 г., имел степень повышения давления 1,1, при диаметре вентилятора 1,59 м с приводом от турбореактивного двигателя тягой 1,2 т обеспечивал вертикальную тягу 3163 кг, то есть имел удельную тягу - 2,63 кг на единицу тяги маршевого турбореактивного двигателя. Применяя двухступенчатые вентиляторы, современные технологии и материалы, можно создать уже подъемный вентилятор со степенью повышения давления до 1.5, получить удельный вес вентилятора около 20, иметь приемлемые скорости истечения струи (140-170 м/с), что уже позволит создавать не только военные, но и гражданские самолеты вертикального взлета и посадки.

Общим недостаткам уже созданных самолетов вертикального взлета и посадки XV-5A, истребителей «Харриер», Як-141, F-35, конвертоплана V-22 «Оспрей» и других являются попытки привязать несущие винты, или подъемные вентиляторы, или подъемные турбореактивные двигатели (один или целый их пакет),ь или сочетание их всех на самолете классической фюзеляжной схемы. Однако, принимая во внимание природу самолета вертикального взлета и посадки, вертикальный взлет целесообразней сделать наоборот: создать летательный аппарат с новой аэродинамикой под подъемную силовую установку. В этом смысле характерным является самолет вертикального взлета и посадки XV-5A, где в крыло самолета обычной схемы установлены два подъемных вентилятора со сложной системой газопроводов на лопатки вентиляторов, в нижней части фюзеляжа - еще один для управления аппаратом и балансировки по тангажу. То есть все преимущества подъемного вентилятора сведены на нет их использованием на самолете обычной фюзеляжной схемы. При этом следует отметить, что данный самолет создавался в 1960-е годы и был экспериментальным, поэтому для него такое техническое решение может быть приемлемым, но за прошедшие 50 лет так и не появились новые решения, отвечающие природе СВВП.

Попытка решения перечисленных выше проблем сделана в конструкции летательного аппарата, описанного в патенте RU 2422309, опубликованном 27.06.2011. В патенте по RU 2422309 описан комбинированный летательный аппарат, включающий планер в форме несущего профилированного дискообразного центроплана, крыльевые консоли, вертикальное и горизонтальное оперение, воздушные винты. Планер летательного аппарата характеризуется расположением носового отсека фюзеляжного типа, включающего штатные места экипажа, а также посадочные места пассажиров и/или грузовые помещения, со стороны переднего полукруга дискообразного центроплана и подъемного вентилятора, вписанного в геометрически среднюю часть центроплана, в нижней части дискообразного центроплана. Описанный в RU 2422309 летательный аппарат представляет собой комбинацию судна на воздушной подушке и самолета вертикального взлета и посадки и не может быть использован с достаточной эффективностью при устойчивых полетах на дальние расстояния, с обеспечением качественного и устойчивого вертикального взлета.

В свою очередь предлагаемое решение позволит устранить указанные выше недостатки, благодаря чему становиться возможным создание самолета вертикального взлета и посадки, который может быть использован для комфортной перевозки пассажиров и качественной транспортировки грузов на значительные расстояния.

Указанный технический результат достигается в предложенном самолете вертикального взлета и посадки, который включает планер в форме несущего профилированного дискообразного центроплана с расположением носового отсека фюзеляжного типа, включающего штатные места экипажа, а также посадочные места пассажиров и/или грузовые помещения, со стороны переднего полукруга дискообразного центроплана и подъемного вентилятора, вписанного в геометрически среднюю часть центроплана, в нижней части дискообразного центроплана, а также крыльевые консоли, вертикальное и горизонтальное оперение, воздушные винты. Согласно предложенному изобретению самолет выполнен на прыжковом шасси, со стороны хвостового полукруга дискообразного центроплана расположен кормовой отсек - мотогондола с горизонтальным оперением, выполненным цельноповоротным, и воздушный винт, выполненный с возможностью работы в режиме толкающего маршевого винта и балансировочного винта. При этом подъемный вентилятор выполнен двухступенчатым с возможностью обеспечения реверса тяги. Подъемный вентилятор выполнен двухступенчатым с выделением правого и левого секторов на каждой ступени и обеспечением возможности вращения ступеней в противоположных направлениях, создания дисбалансов крутящих моментов ступеней и/или изменения углов атаки входных направляющих лопаток в левом и правом секторах. Центр масс самолета, центр дискообразного центроплана, а также начало вектора вертикальной тяги подъемного вентилятора совпадают.

Воздухозаборники двигателей силовой установки расположены в верхней части центроплана с боковых сторон подъемного вентилятора. В обводы переднего полукруга дискообразного центроплана вписан дополнительный пассажирский отсек подковообразной планировки, связанный переходом с носовым отсеком. Также в обводы дискообразного центроплана вписан топливный отсек. Самолет оборудован бортовым радиоэлектронным оборудованием, включающим бортовой компьютер, навигационную систему, автопилот режима вертикального взлета и посадки, автопилот режима горизонтального полета, электронную систему дистанционного управления, электронную кабину, посты управления. Интерфейс пилота включает электронную ручку - первый джойстик для управления по крену и тангажу, ножные педали для управления по курсу.

Прыжковое шасси может быть выбрано из перечня, включающего:

гидравлическое прыжковое шасси, рычажное прыжковое шасси. Двигатели силовой установки могут быть выбраны из перечня, включающего: поршневые двигатели внутреннего сгорания, дизельные двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели. Топливо двигателей силовой установки может быть выбрано из перечня, преимущественно включающего: авиационный керосин; авиационное сконденсированное топливо - авиагаз. По меньшей мере, большая часть элементов конструкции самолета будет выполнена навесной на подъемный вентилятор.

Предложенное изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1 - Общий вид сверху самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.2 - Общий вид сбоку самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.3 - Общий вид спереди самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.4 - Вид сверху на подъемный вентилятор.

Фиг.5 - Вид сбоку на подъемный вентилятор.

Фиг.6 - Горизонтальный разрез самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.7 - Продольный разрез самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.8 - Поперечный разрез самолета вертикального взлета и посадки.

Фиг.9 - Расположение центра дискообразного центроплана, центра подъемного вентилятора, фокуса самолета вертикального взлета и посадки диапазона летных центровок летательного аппарата.

Фиг.10, 11 - Рисунок трехмерной модели самолета вертикального полета и посадки.

Самолет вертикального взлета и посадки (Фиг.1, 2, 3) состоит из носового отсека - кабины 1, вписанной интегрально в передний полукруг центроплана 2, подъемного вентилятора 3, вписанного в геометрический центр центроплана, крыльевых консолей 4, кормового отсека - мотогондолы 5, вписанной интегрально в задний полукруг центроплана, цельноповоротного горизонтального оперения 6, двухрежимного толкающего воздушного винта 7, который может работать в режиме хвостового воздушного винта 7 для балансировки аппарата в режиме вертикального взлета и посадки и толкающего воздушного винта 8 в режиме крейсерского полета. Также предложенный самолет имеет двухкилевое вертикальное оперение 19, воздухозаборники 20, расположенные на верху дискообразного центроплана по бокам подъемного вентилятора, так что они экранированы от попадания в них частиц пыли или грязи при старте аппарата с грунтовых взлетно-посадочных полос. При этом основным силовым элементом конструкции самолета является корпус подъемного вентилятора 3, на котором, как на летающей платформе, через фитинги смонтированы агрегаты планера: кабина 1, консоли 4, мотогондола 5, цельноповоротное горизонтальное оперение 6 и вертикальное оперение 19, рассчитанные и воспринимающие в основном аэродинамические нагрузки, и основные стойки шасси 21, воспринимающие основную нагрузку во время взлета и посадки.

Крыльевые консоли 4 самолета имеют относительную площадь, равную примерно 17% к площади диска, цельноповоротное горизонтальное оперение 6 с относительной площадью, равной 17% к площади диска, которое имеет аэродинамическое плечо, равным 0,6-0,7 диаметра диска. При этом учитывая, что аэродинамический фокус самолета вертикального взлета и посадки расположен примерно на 0.4 диаметра центроплана от его носка и принимая во внимание, что самолет вертикального взлета и посадки может быть выполнен статически неустойчивым на 3-7%, центр масс самолета, вектор вертикальной тяги подъемного вентилятора и центр дискообразного центроплана совпадают. Указанное совпадение важно с точки зрения уменьшения потерь мощности на управление и балансировку на режиме вертикального взлета и посадки и возможности осуществления горизонтального полета с электронной системой дистанционного управления.

На фиг.4, 5 показана подъемно-маршевая силовая установка самолета вертикального взлета и посадки, которая состоит из двухступенчатого подъемного вентилятора 3, двигателей 12 (поршневых, дизельных, газотрубинных), толкающего воздушного винта 7 и устройства управления режимами полета 11, которое перераспределяет мощности моторов на подъемный вентилятор в режиме вертикального взлета и посадки и на толкающий воздушный винт в режиме маршевого полета. Подъемный вентилятор 3 выполнен двухступенчатым с вращающимися в противоположные стороны высоконапорными вентиляторами 10 и 14, каждый из которых имеет входные направляющие лопатки 9 и 13. Для разгона самолета вертикального взлета и посадки от режима зависания до эволютивной скорости горизонтального полета подъемный вентилятор 3 имеет совковый либо решетчатый реверс тяги 15 для поворота вертикальной тяги подъемного вентилятора в горизонтальную, который выпускается или убирается в нишу 16 корпуса подъемного вентилятора.

Управление и балансировка самолета вертикального взлета и посадки по каналу крена осуществляется дифференциальным изменением углов атаки лопастей в соответствующих правом и левом секторах подъемного вентилятора. Указанные изменения углов атаки лопастей вентиляторов осуществляются управлением углов атаки входных направляющих лопаток на первой и второй ступени подъемного вентилятора. Управление в режиме вертикального взлета и посадки по каналу тангажа осуществляется управлением шагом хвостового воздушного винта 7. Управление по каналу курса в режиме вертикального взлета и посадки осуществляется созданием дисбалансов в крутящих моментах первой и второй ступеней подъемного вентилятора, вращающихся в обычном режиме в противоположных направлениях.

На фиг.6, 7, 8 в качестве примера показана компоновка 19-местного самолета вертикального взлета и посадки, пассажирский салон 23 такого самолета размещен в носовой кабине 1, где размешается до 11 пассажиров, а также в подковообразном салоне 24, расположенном в переднем полукруге дискообразного центроплана 2, сечение профиля которого позволяет разместить еще 8 пассажиров в один ряд. При этом пассажирская кабина в центроплане по сравнению с салонами узкофюзеляжных бизнес-самолетов представляет эффект «летящего балкона» с обзором вперед и вниз (фиг.7). Для исключения влияния интерференции струй подъемного винта и быстрого перехода к режиму горизонтального полета (фиг.8) самолет снабжен рычажным либо телескопическим прыжковым шасси 21. В момент старта, когда вес самолета становится равным вертикальной тяге подъемного вентилятора, шток шасси 22 выстреливает самолет на высоту больше чем 1-1,5 диаметра подъемного вентилятора.

Предложенный самолет вертикального взлета и посадки оборудован бортовым радиоэлектронным оборудованием, которое включают бортовой компьютер, навигационную систему, автопилот режима вертикального взлета и посадки, автопилот режима горизонтального полета, электронную систему дистанционного управления, электронную кабину и посты управления, что должно позволить автоматизировать весь процесс выполнения полета от места старта до места посадки. Самолет включает и имеет следующие привычные в самолете и в автомобиле системы управления: I) электронную ручку - первый джойстик для управления по крену и тангажу; II) ножные педали для управления по курсу; III) ручку управления режимами полета - второй джойстик, расположенную на панели, как в автомобиле, между пилотом и пассажиром. Ручка управления включает следующие положения а) «Нейтральный» - для запуска двигателей и подготовки к старту; b) «Старт» - для режима автоматического старта; с) «Разгон» - для режима разгона до эволютивной скорости; с) «Крейсерский режим» - для осуществления крейсерского полета; d) «Посадка» - для режима автоматической посадки.

При эксплуатации самолета пилот вводит на мониторе навигационной системы полетное задание и запускает программу его выполнения. Бортовой процессор управляет всеми режимами полета от старта до посадки, и роль пилота сводится к контролю и наблюдению за процессом выполнения задания. Летчик переходит на ручное управление только в случае сбоев систем бортового радиоэлектронного оборудования. При установки второго джойстика в положение «Нейтральный» трансмиссии подъемного вентилятора 17 и маршевого винта 18 отключены, на этом режиме осуществляется запуск моторов и проверки всех систем перед взлетом. При установке второго джойстика в положение «Старт» маршевый воздушный винт 7 ставится в горизонтальное положение, мощности моторов перераспределены примерно в пределах: на подъемный вентилятор 90%, на хвостовой винт 10%. Отбор мощности на хвостовой винт осуществляется автоматически в зависимости от маневрирования и его загрузки на балансировку самолета по тангажу. При установке второго джойстика в положение «Разгон» включается выпуск реверса тяги 15 для поворота вертикальной тяги в горизонтальную, переводится по программе хвостовой винт 7 из вертикального положения в положение маршевого толкающего воздушного винта 8 и в зависимости от увеличения скорости перераспределяет мощности моторов 12 от подъемного вентилятора на маршевый винт 8. При установке джойстика в положение «Крейсерский режим» полностью перераспределяются мощности моторов 12 от подъемного вентилятора на маршевый воздушный винт 8. Управление на этом режиме осуществляется аэродинамическими поверхностями:

по каналу тангажа - цельноповоротным горизонтальным оперением, по каналу крена - элеронами и по курсу - рулями направлений вертикального оперения. При установке джойстика в положение «Посадка» открываются верхние и нижние створки 25 подъемного вентилятора, мощности моторов 12 от маршевого воздушного винта 8 перераспределяются на подъемный вентилятор 3. Рассмотренные режимы полетов естественно не исключают и других вариантов взлета и посадки, разгона с набором высоты и торможения со спуском, включая взлет и посадку в самолетном режиме или их комбинации.

Таким образом, предложен самолет вертикального взлета и посадки, который может быть использован для комфортной перевозки пассажиров и качественной транспортировки грузов на значительные расстояния.

Изобретение относится к области авиации, в частности к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки. Самолет вертикального взлета и посадки включает планер в форме несущего профилированного дискообразного центроплана с расположением носового отсека фюзеляжного типа со стороны переднего полукруга дискообразного центроплана и подъемного вентилятора, вписанного в геометрически среднюю нижнюю часть центроплана, крыльевые консоли, вертикальное и горизонтальное оперение, воздушные винты. Самолет выполнен на прыжковом шасси. Подъемный вентилятор выполнен двухступенчатым с возможностью обеспечения реверса тяги. Со стороны хвостового полукруга дискообразного центроплана расположен кормовой отсек - мотогондола с горизонтальным оперением, выполненным цельноповоротным, и воздушный винт, выполненный с возможностью работы в режимах толкающего маршевого винта и балансировочного винта. Достигается возможность создания самолета вертикального взлета и посадки, который может быть использован для перевозки пассажиров и грузов на значительные расстояния. 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Самолет вертикального взлета и посадки, включающий:
планер в форме несущего профилированного дискообразного центроплана с расположением носового отсека фюзеляжного типа, включающего штатные места экипажа, а также посадочные места пассажиров и/или грузовые помещения, со стороны переднего полукруга дискообразного центроплана и подъемного вентилятора, вписанного в геометрически среднюю часть центроплана, в нижней части дискообразного центроплана;
крыльевые консоли, вертикальное и горизонтальное оперение, воздушные винты, отличающийся тем, что
выполнен на прыжковом шасси;
подъемный вентилятор выполнен двухступенчатым с возможностью обеспечения реверса тяги;
со стороны хвостового полукруга дискообразного центроплана расположен кормовой отсек - мотогондола с горизонтальным оперением, выполненным цельноповоротным, и воздушный винт, выполненный с возможностью работы в режиме толкающего маршевого винта и балансировочного винта.

2. Самолет по п.1, отличающийся тем, что подъемный вентилятор выполнен двухступенчатым с выделением правого и левого секторов на каждой ступени и обеспечением возможности вращения ступеней в противоположных направлениях, создания дисбалансов крутящих моментов ступеней и/или изменения углов атаки входных направляющих лопаток в левом и правом секторах.

3. Самолет по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборники двигателей силовой установки расположены в верхней части центроплана с боковых сторон подъемного вентилятора.

4. Самолет по п.1, отличающийся тем, что в обводы переднего полукруга дискообразного центроплана вписан дополнительный пассажирский отсек подковообразной планировки, связанный переходом с носовым отсеком.

5. Самолет по п.1, отличающийся тем, что в обводы дискообразного центроплана вписан топливный отсек.

6. Самолет по п.1, отличающийся тем, что прыжковое шасси выбрано из перечня, включающего: гидравлическое прыжковое шасси, рычажное прыжковое шасси.

7. Самолет по п.1, отличающийся тем, что оборудован бортовым радиоэлектронным оборудованием, включающим бортовой компьютер, навигационную систему, автопилот режима вертикального взлета и посадки, автопилот режима горизонтального полета, электронную систему дистанционного управления, электронную кабину, посты управления.

8. Самолет по п.1, отличающийся тем, что интерфейс пилота включает электронную ручку - первый джойстик для управления по крену и тангажу, ножные педали для управления по курсу, ручку управления режимами полета - второй джойстик.

9. Самолет по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что двигатели силовой установки выбраны из перечня, включающего: поршневые двигатели внутреннего сгорания, дизельные двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели.

10. Самолет по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что топливо двигателей силовой установки выбрано из перечня, преимущественно включающего: авиационный керосин; авиационное сконденсированное топливо - авиагаз.

11. Самолет по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, большая часть элементов его конструкции выполнена навесной на подъемный вентилятор.

12. Самолет по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что центр масс самолета, центр дискообразного центроплана, а также начало вектора вертикальной тяги подъемного вентилятора совпадают.