ВИНТОКРЫЛЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ДВИЖИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2023 года по МПК B64C27/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к винтокрылому летательному аппарату, оснащенному усовершенствованной движительной системой. Помимо авиации данный движитель также можно использовать в других областях, в частности в энергетике.

Уровень техники

Известны различные движительные системы для винтокрылых летательных аппаратов, например вертолетов.

В частности, движительные системы, устанавливаемые на концах лопастей несущего винта, уже подвергались испытаниям, но они выявили проблемы, связанные с нарушением работы объединенного циклического устройства того средства, на котором они установлены.

Известные движительные системы этого типа содержат, прежде всего, так называемую реактивную систему холодного типа или сопловую струйную систему.

Разработанный французскими специалистами движитель содержал турбину, установленную исключительно с целью производства воздуха высокого давления, подлежащего транспортированию через вал, а именно вал несущего винта, и затем с помощью сложной системы через лопасть вертолета к концу лопасти, где было установлено сопло, из которого выходил воздух, приводя тем самым в движение лопасти и обеспечивая выполнение полета.

От реактивной системы холодного типа отказались по той причине, что струя воздуха, выходящая с концов лопастей, создавала значительные проблемы при изменении шага лопастей, а именно при варьировании угла наклона лопастей для создания подъемной силы. В этот момент струя движителя толкала лопасти вверх.

Следует учесть, что после приведения в действие циклического управления, с помощью которого лопасть непрерывно изменяла шаг, струя создавала осциллирующую тягу, зависящую от наклона циклического шага.

Кроме того, эта струя почти полностью препятствовала наклону лопасти (перемещение вдоль вертикальной оси вала), которая всегда находилась в состоянии «подталкивания» и не могла свободно наклоняться.

Это имело место и в отношении движения для компенсации раскачивания лопастей, на которое влияли тяговые струи.

Эта конструкция, от которой отказались, относится к началу 50-х годов. Она не создавала никаких преимуществ с точки зрения веса летательного аппарата, продолжительности полета, полезной нагрузки.

Ее единственным преимуществом было отсутствие главного ротора, хвостового винта и системы отсоединения привода с учетом того, чтобы вал был свободным и не возникали проблемы с вращательным моментом при передаче движения.

Другая система, исследованная и испытанная в предыдущие годы, является так называемой сопловой струйной системой.

Эта система содержала прямоточные воздушно-реактивные двигатели, установленные на концах лопастей вертолета.

Сопловая струйная система, хотя она и является более простой конструкцией, чем реактивная система холодного типа, создает такие же проблемы, поскольку прямоточные воздушно-реактивные двигатели расположены на концах лопастей, при этом такая система имеет значительные недостатки, упомянутые выше: изменение шага лопаток, цикличности, наклон и компенсация раскачивания.

К этим проблемам необходимо добавить проблему расхода топлива, что делает абсолютно невозможным полеты более 20–30 минут с очень высоким расходом топлива.

Все другие существующие движительные системы соединены непосредственно с валом через ротор – шестеренчатое соединение и, таким образом, должны обеспечивать значительно большую требуемую мощность, чем изобретение.

Дополнительная движительная система для винтокрылого летательного аппарата, которая устраняет вышеуказанные проблемы, описана в патентной заявке Италии 102017000108804 и в соответствующей международной патентной заявке PCT/EP2018/071196.

Эта движительная система основана на идее использования вращающейся штанги, также именуемой «приводной штангой», которая соединена с вращающимся валом летательного аппарата, в результате чего вращающийся вал приводит несущий винт во вращение.

Штанга должна быть механически соединена с вращающимся валом летательного аппарата, при этом по меньшей мере один конец штанги должен быть оснащен двигателем, выполненным с возможностью вращения штанги, так чтобы вращение штанги можно использовать для вращения несущего винта.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики систем приводной штанги с учетом эффективности и безопасности.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать винтокрылый летательный аппарат с уменьшенными расходами по сравнению с существующими летательными аппаратами.

Раскрытие сущности изобретения

Эти и другие задачи, которые станут понятыми из описания, решены с помощью летательного аппарата с несущим винтом, оборудованного движителем, при этом указанный летательный аппарат содержит вращающийся вал, вращающий указанный несущий винт, причем указанная движительная система содержит штангу, механически соединенную с вращающимся валом летательного аппарата, при этом по меньшей мере один конец штанги оборудован двигателем, выполненным с возможностью вращения штанги вокруг оси вращающегося вала таким образом, что вращение штанги может использоваться для вращения несущего винта, отличающегося тем, что на каждом конце штанги установлена двигательная группа, причем каждая двигательная группа содержит пару винтов противоположного вращения, при этом указанная пара винтов противоположного вращения установлена таким образом, что она может создавать вращающий момент для вращения штанги.

Преимущество этого варианта осуществления изобретения состоит в том, что компоновка заявленных винтов противоположного вращения позволяет, прежде всего, уменьшить длину вращающейся штанги, тем самым приближая винты противоположного вращения к оси вращающегося вала и уменьшая центробежное ускорение, которому подвергаются двигатели.

В частности, согласно одному варианту осуществления изобретения длина штанги составляет меньше половины длины несущего винта.

Во-вторых, важным преимуществом изобретения является то, что поскольку электрические винты противоположного вращения относятся к каждой из пар электрических винтов противоположного вращения, общий гироскопический момент, действующий на «приводную штангу», уменьшается до нуля.

Согласно одному варианту осуществления изобретения винты противоположного вращения не помещены в гондолы двигателей.

Преимущество этого варианта осуществления изобретения состоит в том, что благодаря исключению гондол двигателей можно решить возможные проблемы конструктивной целостности самих гондол, на которые действуют высокие центробежные силы.

Винты противоположного вращения оснащены электроприводом.

Кроме того, наличие гондол двигателей создавало бы сопротивление ротора и лобовое сопротивление летательного аппарата.

Согласно одному варианту осуществления изобретения вдоль штанги предусмотрены профили, которые во время вращения штанги позволяют создавать противошум, который уменьшает суммарный шум, производимый летательным аппаратом во время полета.

Другие признаки изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятными из описания, приведенного ниже в качестве неограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг. 1 показан схематический вид винтокрылого летательного аппарата, оборудованного движителем согласно варианту осуществления изобретения; и

на фиг. 2 – схематический вид части конструкции движительной системы из фиг. 1.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематически показан вариант выполнения винтокрылого летательного аппарата 100, который оборудован движителем согласно осуществлению изобретения, причем движитель в целом обозначен номером позиции 10.

В общем, движитель 10 для винтокрылого летательного аппарата согласно изобретению связан с вращающимся валом 50, механически соединенным с несущим винтом 40.

В общем, в данном описании винтокрылый летательный аппарат представляет собой летательный аппарат тяжелее воздуха, который использует подъемную силу, создаваемую специальными деталями, именуемыми лопастями, которые вращаются вокруг вала.

Движитель 10 содержит штангу 20, механически соединяемую с вращающимся валом 50 летательного аппарата, причем на каждом конце штанги 20, прикрепленной к вращающемуся валу 50 летательного аппарата, установлен двигатель 30, причем каждый из двигателей 30 обеспечивает создание вращающего момента для вращения штанги 20 вокруг ее собственной оси вращения, совпадающей с осью вращения вращающегося вала 50, для вращения вращающегося вала 50 летательного аппарата.

Двигатели могут быть, например, электрическими винтами 32, 32' противоположного вращения, также известными как электрические вентиляторы.

Подача питания к винтам 32, 32' противоположного вращения может осуществляться от батарейного блока, установленного на борту летательного аппарата 100.

В частности, каждый из двигателей 30 содержит пару винтов 32, 32' противоположного вращения, расположенных таким образом, что они создают вращающий момент для вращения штаги 20.

В предложенной системе, т.е. в соосных винтах противоположного вращения, мощность, создаваемая электродвигателем, используется для вращения двух винтов, расположенных вдоль одной и той же оси, но вращающихся в противоположных направлениях.

На фиг. 2 показана часть конструкции движительной системы из фиг. 1, причем на этой фигуре направление вращения винта 32 ориентировочно обозначено стрелкой W1, а (противоположное) направление вращение винта 32' обозначено стрелкой W2, при этом все они создают вращательное движение штанги 20 в направлении стрелки F1.

Преимущество этого варианта осуществления изобретения состоит в том, что компоновка заявленных винтов противоположного вращения (электрического вентилятора) позволяет, прежде всего, уменьшить длину вращающейся штанги 20, тем самым приближая винты противоположного вращения к оси вращающегося вала 50 и уменьшая центробежное ускорение, которому подвергаются двигатели.

В частности, согласно одному варианту осуществления изобретения длина штанги составляет меньше половины длины несущего винта 40.

Следует отметить, что центробежное ускорение, которому подвергаются двигательные узлы 30 с электрическими винтами (электрическим вентилятором) во время вращения штанги 20, равно:

a_c = r_eFan Ω²,

где r_eFan – расстояние от двигателей 30 (или их центров тяжести) до оси вращения штанги 20, а Ω – скорость вращения штанги 20.

Приближая электрические винты противоположного вращения (электрический вентилятор) к оси вращения штанги 20 и тем самым уменьшая длину штанги 20, можно пропорционально уменьшить центробежные силы, действующие на двигатели и их компоненты.

Во-вторых, важным преимуществом изобретения является то, что поскольку электрические винты противоположного вращения (электрический вентилятор) 32, 32' относятся к каждой из пар электрических винтов противоположного вращения (электрического вентилятора), общий гироскопический момент, действующий на «приводную штангу», уменьшается до нуля.

В частности, общий гироскопический момент задается следующим образом:

M_gyro = I_propΩ_eFanΩ,

где I_prop – момент инерции винта, а Ω_eFan – угловая скорость двигательных узлов 30.

Использование винтов противоположного вращения уменьшает общий гироскопический момент до нуля.

Предпочтительно, количество лопастей на один винт равно 4, но также могут использоваться другие количества лопастей.

Согласно одному варианту осуществления изобретения винты 32, 32' противоположного вращения не помещены в гондолы двигателей.

Преимущество этого варианта осуществления изобретения состоит в том, что благодаря исключению гондол двигателей можно решить возможные проблемы конструктивной целостности самих гондол, на которые действуют высокие центробежные силы.

Кроме того, наличие гондол двигателей создавало бы сопротивление ротора и лобовое сопротивление летательного аппарата.

Согласно одному варианту осуществления изобретения внутри штанги 20 могут быть распложены электрические соединительные кабели и источник питания.

В другом варианте изобретения штанга 20 механически соединена непосредственно с вращающимся валом 50 летательного аппарата с помощью жесткого крепления 25.

Как вариант, штанга 20 механически соединена с вращающимся валом 50 летательного аппарата жестким, полужестким или шарнирным креплением.

В целом, вращение штанги 20 происходит в другой плоскости относительно плоскости вращения несущего винта 40.

В частности, точка крепления штанги к вращающемуся валу 50 летательного аппарата 100 может быть расположена выше или ниже системы управления летательного аппарата, например выше (как в примере на фиг. 1) или ниже объединенной системы 60 автомата перекоса и контроля вибраций летательного аппарата.

Следует отметить, что объединенная система 60 автомата перекоса и контроля вибраций летательного аппарата 100 является известной системой и управляется управляющим устройством известным способом.

Штанга 20 может иметь любую форму с тем условием, что штанга 20 не должна создавать значительную подъемную силу во время ее вращения.

Как вариант, штанга 20 также может быть выполнена так, чтобы ее форма позволяла создавать при вращении подъемную силу.

Предпочтительно, штанга 20 выполнена из углеродного волокна.

Движительная система, показанная на фиг. 1, значительно отличается от систем, описанных во введении и известных из существующего уровня техники.

Фактически, движительная система 10 не установлена на концах лопастей летательного аппарата и не образует систему управления полетом, как в случаях, упомянутых во введении.

Фактически, движительная система, которая является объектом настоящего изобретения, состоит из штанги 20 (также именуемой приводной штангой) надлежащего размера, прочно прикрепленной к валу вертолета или другого летательного аппарата с вертикальным взлетом, при этом она является полностью независимой от лопастей летательного аппарата.

Штанга больше не имеет ротора (системы с ведущей шестерней) и свободно вращается на соответствующей опоре (упорном подшипнике и т. д.), за счет приведения в движение винтом(ами) на концах штанги.

Согласно одному варианту осуществления изобретения вдоль штанги 20 предусмотрены профили, которые во время вращения штанги 20 позволяют создавать противошум, который уменьшает суммарный шум, производимый летательным аппаратом 100 во время полета.

Как вариант или в дополнение к решению в отношении противошума, существует возможность предусмотреть акустическую систему, которая создает противошум в зависимости от оборотов винтов противоположного вращения или штанги 20 или других факторов.

Во время эксплуатации движительной системы 10 двигатели 30 создают вращающий момент для вращающейся штанги 20 и посредством соединения с вращающимся валом 50 создают соответствующее вращение несущего винта 40.

Движитель также можно использовать в качестве системы усилителя вращающего момента, когда его можно приводить в действие для использования с меньшей мощностью, даже в применениях, не имеющих отношение к авиации, т. е. в тех применениях, где можно извлечь выгоду из эффекта плеча рычага, создаваемого штангой 20 (например: подзарядка аккумуляторов, производство в результате вращательного движения электрической энергии или энергии эндотермического процесса и т.д.).

По существу, изобретение также относится к применению движителя 10, связанного с вращающимся валом 50, причем движитель 10 содержит штангу 20, механически соединяемую с вращающимся валом 50, при этом по меньшей мере один конец указанной штанги 20 оснащен двигателем 30, выполненным с возможностью вращения штанги 20 вокруг оси вращающегося вала 50, отличающемуся тем, что на каждом конце штанги 20 установлен двигательный узел 30, причем каждый двигательный узел 30 содержит пару электрических винтов 32, 32' противоположного вращения (электрический вентилятор) с целью создания вращающего момента для приведения во вращение штанги 20 и, соответственно, приведения во вращение вращающегося вала 50 для генерирования или передачи энергии пользователю.

Ясно, что в зависимости от обстоятельств или по конкретным причинам могут быть выполнены модификации и усовершенствования описанного изобретения без отклонения от объема изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям приводных систем несущих винтов. Летательный аппарат (100) с несущим винтом (40) оборудован движительной системой (10). Летательный аппарат (100) содержит вращающийся вал (50), который вращает несущий винт (40). Движительная система (10) содержит штангу (20), механически соединенную с вращающимся валом (50). На каждом конце штанги (20) установлена двигательная группа (30), причем каждая двигательная группа (30) содержит пару винтов (32, 32') противоположного вращения. При этом указанная пара винтов (32, 32') противоположного вращения установлена таким образом, что она может создавать вращающий момент для вращения штанги (20). Обеспечивается уменьшение длины вращающейся штанги, тем самым приближая винты противоположного вращения к оси вращающегося вала и уменьшая центробежное ускорение, которому подвергаются двигатели. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Летательный аппарат (100) с несущим винтом (40), оборудованный движительной системой (10), при этом указанный летательный аппарат (100) содержит вращающийся вал (50), вращающий указанный несущий винт (40), причем указанная движительная система (10) содержит штангу (20), механически соединенную с вращающимся валом (50) летательного аппарата (100), при этом по меньшей мере один конец штанги (20) оборудован двигателем (30), выполненным с возможностью вращения штанги (20) вокруг оси вращающегося вала (50) таким образом, что вращение штанги (20) может использоваться для вращения несущего винта (40), отличающийся тем, что на каждом конце штанги (20) установлена двигательная группа (30), причем каждая двигательная группа (30) содержит пару винтов (32, 32') противоположного вращения, при этом указанная пара винтов (32, 32') противоположного вращения установлена таким образом, чтобы создавать вращающий момент для вращения штанги (20).

2. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором винты (32, 32') противоположного вращения оснащены электроприводом.

3. Летательный аппарат (100) по п. 2, в котором штанга (20) является внутри полой, обеспечивая канал для электропроводящих кабелей для винтов (32, 32') противоположного вращения.

4. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором винты (32, 32') противоположного вращения не помещены в гондолы двигателей.

5. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором длина штанги (20) составляет меньше половины длины несущего винта (40).

6. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором вращение штанги (20) происходит в плоскости, отличной от плоскости вращения несущего винта (40).

7. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором штанга (20) механически соединена непосредственно с вращающимся валом (50) летательного аппарата (100) с помощью жесткого крепления (25).

8. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором штанга (20) имеет такую форму, что она не создает подъемную силу при вращении.

9. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором вдоль штанги (20) предусмотрены профили, обеспечивающие во время вращения штанги (20) создание противошума, который уменьшает суммарный шум, производимый летательным аппаратом (100) во время полета.

10. Летательный аппарат (100) по п. 1, в котором предусмотрена акустическая система, выполненная с возможностью создания противошума в зависимости от числа оборотов винтов противоположного вращения или штанги (20) или других факторов.