Автожир Российский патент 2018 года по МПК B64C27/22 B64C27/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Область авиастроение. Относится к авиационной технике и направлена на улучшение летных качеств автожира-квадрокоптер. Автожир (гироплан) – легкий летательный аппарат внеаэродромного базирования, сочетающий в себе свойства самолета и вертолета. Автожир способен выполнять до 90% функций вертолёта. Главное его свойство, отличающее от вертолета – безопасность. Воздушное судно относится к комбинированным летательным аппаратам, преимущественно с повышенным уровнем безопасности полета.

Уровень техники

Из уровня техники известен Автожир-конвертоплан "вертоплан ак-2". Патент на полезную модель №:40291 (RU 40291, B64C 37/00, опубл. 10.09.2004). Известный автожир-конвертоплан содержит фюзеляж, шасси, двигательную установку, органы управления, крыло с подвижной частью, выполненной с двухлопастным ротором с лопастями симметричного профиля и устройство его фиксации относительно крыла.

Из уровня техники известен многовинтовой конвертируемый скоростной вертолет (RU 2568517 C1, B64C 37/00, опубл. 20.11.2015). Многовинтовой конвертируемый скоростной вертолет, содержащий высокоплан с расположением тандемом крыльев, оснащенных поворотными винтами, создающими горизонтальную и соответствующим отклонением вертикальную тягу и связанными с главным редуктором соединительными валами Н-образной в плане трансмиссии, содержит двигатели, имеющие задний вывод вала для отбора взлетной их мощности и установленные в гондолах перед задним крылом на верхней части фюзеляжа с каждой стороны вертикального киля, и трехопорное убирающееся колесное шасси, с носовой вспомогательной и главными боковыми опорами.

Из уровня техники также известен тяжелый скоростной винтокрыл. (RU 2608122 C1. B64C 27/22, B64C 29/00, опубл. 13.01.2017). Тяжелый скоростной винтокрыл, имеющий на концах крыла несущие винтовые системы и трехопорное убирающееся колесное шасси, отличающийся тем, что он выполнен по концепции разнесенной тяги разновеликих винтов (РТРВ) в подъемно-несущей и подъемно-движительной системах, соответственно, по меньшей мере, с четырьмя несущими винтами и с взаимно противоположным вращением тянущего и толкающего соосных меньших винтов, установленных тандемом в двух центральных кольцевых каналах на V-образных боковых цельно-поворотных пилонах, и оснащен многовинтовой системой по схеме РТРВ-Х4+2, имеющей пару передних и пару задних из нее несущих винтов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является автожир, известный из RU 2360837 C2. Известный автожир состоит из кабины (1), шасси (2), оперения (3), несущего винта, органа управления общим шагом (6) лопастей (7) несущего винта, силовой установки, механической трансмиссии, включающей вал и управляемую фрикционную муфту (11), соединяющую вал с двигателем через угловой редуктор (12). Трансмиссия снабжена управляемой шестеренчатой муфтой (13), соединяющей вал (10) с зубчатым колесом (5) втулки (4) несущего винта и системой быстрого отключения фрикционной муфты при достижении стартовых оборотов несущего винта. Управление шестеренчатой муфтой снабжено устройством блокировки, исключающим ввод в зацепление шестеренчатой муфты при углах общего шага лопастей, отличных от минимальных.

В известных аналогах в конструкции летательных аппаратов используют электромоторы для подъемной тяги и предварительной раскрутки ротора напрямую, в то время как в заявленном изобретении - через воздух, при этом отсутствует механические соединения, за счет чего повышается надежность и происходит меньше отказов и поломок. В заявленном изобретении поток воздуха необходим, прежде всего, с низа вверх, для того чтобы предварительно раскручивать ротор.

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является создание летательного аппарата класса автожир с возможностью вертикального взлета, увеличения дальности аварийного полета при отказе основного двигателя, смягчения штатной и аварийной посадки.

Техническим результатом заявленного технического решения является способность вертикального прыжкового взлета без механизма изменения шага ротора, повышение устойчивость полета и динамических характеристик: расширение диапазона допустимых кренов и уменьшение радиуса разворота, упрощение управления при переводе аппарата в горизонтальный полет.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что автожир состоит из кабины, установленной на раме, шасси, основного ротора, закрепленного на мачте, горизонтального стабилизатора, вилки управления, двигателя, толкающего винта, причем дополнительно снабжен по меньшей мере одной парой роторных вспомогательных винтомоторных групп выполненных с возможностью осуществления предварительной раскрутки основного ротора и с возможностью плавного изменения угла направления воздушного потока при достижении взлетных оборотов, и изменения силы тяги до горизонтальной составляющей, при этом пары роторных вспомогательных винтомоторных групп установлены по бокам автожира и расположены по окружности вращения основного ротора.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы выполнены с возможностью поворота на выносной балке от +90 градусов -90 градусов.

В частном случае реализации заявленного технического решения снабжен двумя парами роторных вспомогательных винтомоторных групп.

В частном случае реализации заявленного технического решения вспомогательные роторы выполнены в виде двухлопастных тяговых устройств.

Добавление независимых от основной силовой установки устройств с отклоняемым вектором тяги позволяет: осуществлять предварительную раскрутку несущего ротора за счет направления потока на него; осуществлять устойчивый вертикальный прыжковый взлет; резервировать основной ротор и двигатель; дополнительно стабилизировать автожир-квадрокоптер.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг.1 – автожир с несущим ротором и двумя дополнительными роторными вспомогательными винтомоторными группами.

Фиг. 2 – автожир с несущим ротором и четырьмя дополнительными роторными вспомогательными винтомоторными группами.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – кабина; 2 – роторная вспомогательная винтомоторная группа; 3 – основной ротор; 4 – шасси; 5 – горизонтальный стабилизатор; 6 – вилка управления; 7 – мачта; 8 – двигатель; 9 – толкающий винт.

Раскрытие изобретения

Автожир выполнен по схеме с основным несущим ротором (3) и толкающим винтом (9) горизонтальной тяги и состоит из кабины (1), установленной на раме, роторных вспомогательных винтомоторных групп (2), основного ротора (3), шасси, горизонтального стабилизатора (5), вилки управления (6), мачты (7), двигателя (8), толкающего винта (9). При этом автожир выполнен по схеме с двигателем и толкающим винтом, расположенными за кабиной также за кабиной. Основной ротор (3) закреплен на автожире посредством мачты, выполненной в качестве основания для основного ротора (3).

В качестве крыла в автожире использован вращающийся основой ротор (3), размер которого выбирается из предполагаемого веса.

Автожир выполнен по схеме с основным несущим ротором (3) и толкающим винтом (9) горизонтальной тяги, а также по меньшей мере с одной парой дополнительных роторных вспомогательных винтомоторных групп (2). В частном случае реализации автожир выполнен с двумя парами роторных вспомогательных винтомоторных групп, при этом количество дополнительных роторных вспомогательных винтомоторных групп (2) может быть увеличено до четырех или до шести или до восьми соответственно (2).

Дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы (2) расположены на выносных балках по окружности вращения основного ротора. Дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы (2) расположены на выносных балках для оптимизации аэродинамики и возможности обдува основного ротора (3) снизу для его раскрутки. Выносные балки крепления дополнительных роторных вспомогательных винтомоторных групп (2) закреплены на кабине (1), мачте (7) и на горизонтальном стабилизаторе (5).

В варианте реализации заявленного технического решения с двумя дополнительными роторными вспомогательными винтомоторными группами (2) выносные балки крепления упомянутых винтомоторных групп (2) закреплены на несущей раме по бокам носовой части кабины автожира.

В варианте реализации заявленного технического решения с четырьмя роторными вспомогательными винтомоторными группами (2), в дополнение к двум роторным вспомогательным винтомоторным группам (2), установленным на раме по бокам носовой части кабины (1) автожира, автожир дополнительно содержит две роторные вспомогательные винтомоторные группы (2), установленных посредством выносных балок крепления по бокам автожира и закрепленных на основании горизонтального стабилизатора (5).

В варианте реализации заявленного технического решения с шестью роторными вспомогательными винтомоторными группами (2), в дополнение к роторным вспомогательным винтомоторным группам (2), установленным на раме по бокам носовой части кабины (1) автожира и к двум роторным вспомогательным винтомоторным группам (2), установленных посредством выносных балок крепления по бокам автожира и закрепленных на основании горизонтального стабилизатора (5), автожир дополнительно содержит роторные вспомогательные винтомоторные группы (2), закрепленные по бокам автожира посредством выносных балок крепления на задней части кабины (1).

При этом, выносные балки крепления, установленные по бокам автожира в задней части кабины (1) автожира, в варианте реализации заявленного технического решения, выполнены с разветвлением, с возможностью размещения с каждой боковой стороны автожира по паре роторных вспомогательных винтомоторных групп. Таким образом, в данном варианте заявленного технического решения количество роторных вспомогательных винтомоторных групп увеличено до восьми, по четыре винтомоторные группы с каждого бока автожира. При этом все винтомоторные группы установлены по окружности вращения основного ротора (3).

Данные вспомогательные роторы (2) ускоряют предварительную раскрутку (вращение) основного несущего ротора при взлете, а в полете помогает держать горизонт и обороты ротора с помощью воздушного потока от этих винтов.

Число используемых дополнительных роторных вспомогательных винтомоторных групп зависит индивидуально от компоновки автожира и служит цели оптимизации КПД винтомоторных групп, т.к. в предельном случае увеличение количества винтов приводит к повышению КПД, но также каждый электродвигатель теряет свое КПД с уменьшением своей мощности.

Каждая дополнительная роторная вспомогательная винтомоторная группа представляет собой электродвигатель с тяговым двухлопастным винтом. Каждая роторная вспомогательная винтомоторная группа и закреплена на выносных балках и выполнена с возможностью поворота вокруг оси из вертикального в горизонтальное положение с ходом по углу атаки до 180 градусов. Роторная вспомогательная винтомоторная группа имеет встроенные актуаторы или, варианте реализации заявленного технического решения, актуаторы расположены вне винтомоторных групп на одной оси каждой пары винтомоторных групп (2) за счет чего поворот каждой пары винтомоторной группы осуществляется синхронно. Каждая роторная вспомогательная винтомоторная группа выполнена с возможностью индивидуального управления режимом работы.

Управление вектором тяги роторных вспомогательных винтомоторных групп позволяет как обеспечивать вертикальный взлет, так и помогать в маневрах/при отказе основной двигателя (8) приводящего в движение толкающий (9) винт и основной ротор (3). Дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы (2) выполнены с возможностью поворота на выносной балке от +90 градусов -90 градусов. В полете вспомогательные роторы (2) создают горизонтальную тягу при повороте на 80-90 градусов (в зависимости от загрузки). В случае поломки основного двигателя можно уменьшить скорость приземления автожира поворотом роторных вспомогательных винтомоторных групп на 150-180 градусов.

Автожир взлетает при пробеге по полосе и раскрутки основного ротора (3) с помощью воздушного потока. Перед взлетом автожир производит предварительную раскрутку основного ротора (3) с помощью роторных вспомогательных винтомоторных групп (2), поток которых направляется на основной ротор (3). При достижении взлетных оборотов, плавно изменяется угол направления воздушного потока, а также меняется сила тяги, которая была направлена вниз, до горизонтальной составляющей.

Для взлета вспомогательные роторы (2) направляют воздушный поток вверх для раскручивания основного ротора (3) и создают отрицательную подъемную силы, частично компенсирующую положительную подъемную силу, создаваемую основным ротором (3). Поэтому этот воздушный поток можно создать и роторными вспомогательными винтомоторными группами (2), направленными вверх, которые раскручивают основной ротор (3) до полетных оборотов и удерживают аппарат на земле, а при уменьшении оборотов роторных вспомогательных винтомоторных групп (2) и плавного поворота их в горизонт, аппарат поднимается в небо. Таким образом, аппарат удерживается в горизонте основным ротором (3), а горизонтальный полет определяется роторными вспомогательными винтомоторными группами (2). При достижении необходимых оборотов вектор их тяги разворачивается вниз для создания положительной подъемной силы, ротор совершает координированный наклон вперед для предотвращения опрокидывания и так же увеличивает создаваемую подъемную силу в вертикальной проекции. Таким образом, создается подъемная сила больше веса аппарата, и он совершает вертикальный взлет. Сразу после отрыва двигатель увеличивает свою тягу и придает аппарату горизонтальную скорость посредством толкающего винта (9).

В случае отказа основного двигателя/разрушения толкающего винта, использование устройств создания управляемого вектора тяги позволяет увеличить радиус достижимости до ближайшего места, смягчить приземление в режиме авторотации.

Также они способны компенсировать потерю или отказ хвостового оперения сохраняя устойчивость и управляемость полета аппарата. Компенсирующий потерю хвоста момент достигается разностью тяг, стоящих по разные стороны аппарата винтами или их поворотом.

Моторы контролируют обороты ротора, а в переходных режимах и управление по крену при полете на малых скоростях. Это происходит при изменении оборотов этих винтов в зависимости от наклона автожира. Роторные вспомогательные винтомоторные группы (2) выполнены с возможностью создания вертикальной тяги для замедления приземления и обеспечения обратной тяги при вертикальной посадке, когда воздушный поток направлен вертикально вниз.

Взлет, горизонтальный полет заход на посадку осуществляются как по самолетному, так и по вертолётному принципу. По мере уменьшения скорости аппарата управление по курсу и тангажу переходит от хвостового руля и основного двигателя к электромоторам роторных вспомогательных винтомоторные групп. Коррекция крена, производится как несущим ротором, так и электромоторами роторных вспомогательных винтомоторные групп, притормаживанием вращения одного или двух из винтов. Все это позволяет производить посадку со скоростью, ниже самолетной.

Во время аварии при взлете /отказ основного двигателя, органов управления и т.п., по сигналу бортовой компьютер включает\выключает двигатели.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям комбинированных летательных аппаратов. Автожир содержит кабину, установленную на раме, шасси, основной ротор, закрепленный на мачте, горизонтальный стабилизатор, вилку управления, двигатель, толкающий винт. Автожир дополнительно снабжен по меньшей мере одной парой роторных вспомогательных винтомоторных групп, выполненных с возможностью осуществления предварительной раскрутки основного ротора и с возможностью плавного изменения угла направления воздушного потока при достижении взлетных оборотов и изменения силы тяги до горизонтальной составляющей. Пары роторных вспомогательных винтомоторных групп установлены по бокам автожира и расположены по окружности вращения основного ротора. Дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы выполнены с возможностью поворота на выносной балке на угол ±90 градусов. Обеспечивается возможность выполнения вертикального прыжкового взлета без механизма изменения шага ротора, повышение устойчивости полета и динамических характеристик. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автожир, состоящий кабины, установленной на раме, шасси, основного ротора, закрепленного на мачте, горизонтального стабилизатора, вилки управления, двигателя, толкающего винта, отличающийся тем, что дополнительно снабжен по меньшей мере одной парой роторных вспомогательных винтомоторных групп, выполненных с возможностью осуществления предварительной раскрутки основного ротора и с возможностью плавного изменения угла направления воздушного потока при достижении взлетных оборотов и изменения силы тяги до горизонтальной составляющей, при этом пары роторных вспомогательных винтомоторных групп установлены по бокам автожира и расположены по окружности вращения основного ротора.

2. Автожир по п.1, отличающийся тем, что дополнительные роторные вспомогательные винтомоторные группы выполнены с возможностью поворота на выносной балке от +90 градусов -90 градусов.

3. Автожир по п.1, отличающийся тем, что снабжен двумя парами роторных вспомогательных винтомоторных групп.

4. Автожир по п.1, отличающийся тем, что вспомогательные роторы выполнены в виде двухлопастных тяговых устройств.