Летательный аппарат Российский патент 2023 года по МПК B64C29/00 B64C39/06 

Изобретение относится к области авиации, а именно к летательному аппарату (ЛА) вертикального взлета и посадки. Корпус имеет дискообразную форму. В центральной верхней части кабина пилотов. Вокруг кабины пилотов воздухозаборник. Ниже кабины пилотов располагается турбина, приводимая в действие реактивной силой пара, образующегося в жидкостной системе охлаждения двухконтурных турбовентиляторных двигателей (ТРДД) в камере парообразования. Турбина предназначена для создания дополнительной тяги при вертикальном взлете, посадке, в режиме ротации, в горизонтальном полете и для управления ЛА. Еще ниже располагаются два ТРДД с возможностью изменения вектора тяги. Вокруг двигателей и вокруг каналов выхода реактивной струи ТРДД располагается камера парообразования, которая входит в систему охлаждения ТРДД. В корпусе ЛА возможно расположение емкостей с гелием для облегчения и стабилизации ЛА. В нижней части ЛА располагается емкость хранения воды с насосом для закачки воды через форсунку в камеру парообразования. Изобретение направлено на создание ЛА с вертикальным взлетом и посадкой, с улучшенными характеристиками по дальности и скорости по отношению к вертолетам и более экономичными и более надежными, чем самолеты с вертикальным взлетом и посадкой.

Известна запатентованная "летающая тарелка" Джорджа Наймайра (1), которая представляет собой диск, покрытый солнечными батареями. Для создания дополнительной подъемной силы верхняя часть диска заполнена гелием. Под диском на поворотных шарнирах смонтированы девять турбореактивных двигателей. При этом сам диск представляет собой аэродинамическую поверхность и при движении его в атмосфере создается подъемная сила. Данная конструкция летательного аппарата представляется достаточно тяжелой и энергозатратной.

Известен ЛА по патенту Черемушкина О.В.(2), в котором фюзеляж ЛА выполнен в виде двух сферических поверхностей, имеющих различную кривизну. Верхняя армированная сферическая поверхность с закрепленной на ней крыльчаткой воздушного насоса системы управления пограничным слоем выполнена с возможностью вращения и через основной редуктор соединена с маховиком обратного вращения. На этом же валу установлен основной стартер-генератор. На дисковой раме размещена силовая установка из реактивных двигателей вертикального и горизонтального движения. Данный ЛА достаточно сложный и дорогостоящий.

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому изобретению является безаэродромный самолет БЭЛЛА-1. (3) Комбинированный ЛА имеет корпус с вертикальным центральным тоннелем, подъемный винт, тяговые винты, крылья и хвостовое оперение. Особенностью летательного аппарата является наличие торообразного силового кольца замкнутого поперечного сечения, охватывающего вертикальный тоннель ниже плоскости вращения подъемного винта. Торообразное силовое кольцо собрано из отдельных сегментов и имеет подкрепляющие радиальные перегородки. Данный ЛА имеет хорошие показатели для вертикального взлета и посадки, а вот скоростные характеристики не высокие.

Задачей предлагаемого изобретения является создание экономичного и супернадежного ЛА, позволяющего совместить возможности вертолета и самолета. Способного осуществлять вертикальный взлет и посадку, полет и маневрирование с высоким аэродинамическим качеством, с дальностью и скоростью, превышающие возможность вертолета, надежную стабилизацию и управление движением на всех режимах полета, экономичного и, в тоже время, достаточно простого и дешевого в изготовлении. Главным достоинством вертолетов является их маневренность. Вертолеты способны к вертикальному взлету, вертикальной посадке, зависанию в воздухе и даже к полету «задом наперед». Вертолет может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта. Кроме того, вертолеты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы. Однако вертолеты по сравнению с самолетами имеют меньшую максимальную скорость, сложность в управлении, высокий удельный расход топлива и, как следствие, более высокую стоимость полета в расчете на пассажиро-километр или единицу массы перевозимого груза. Увеличению скорости вертолета препятствует винт, который, собственно и дает преимущество вертолету для вертикального взлета и посадки. Но если винт спрятать в дискообразный корпус ЛА, то данное препятствие устраняется.

В 1921 году Б.Н. Юрьев впервые в мире предложил принципиальную схему вертолета с дискообразным корпусом. Исследования аэродинамических характеристик ЛА в 30-х гг. показали, что дископлан, кроме возможности летать на больших углах атаки, имеет преимущества перед обычным самолетом и по другим параметрам. К этим параметрам относятся: хорошие противоштопорные характеристики, отличные жесткостные характеристики, хорошая устойчивость при вертикальном наборе высоты, низкое аэродинамическое сопротивление при горизонтальном полете, большой внутренний объем для размещения оборудования, топлива и полезной нагрузки. Кроме того такая форма позволяет при отказе двигателей использовать эффект парашютирования для мягкой посадки ЛА. (4)

В предлагаемом изобретении винт можно использовать для вертикального взлета и посадки. А для эффективного движения в горизонтальной плоскости здесь можно использовать 2 турбовентиляторных двигателя с переменной тягой - ТРДД. Их можно использовать и для вертикального взлета - посадки, и для горизонтального полета. Для вращения винта предлагается использовать реактивную тягу. Использование реактивной тяги для вращения винта нашло свое применение на французском вертолете Sud-Ouest S.0.1221 Djinn (5). Это легкий двухместный вертолет с реактивным (компрессорным) приводом несущего винта. Разработан и производился французским предприятием Sud-Ouest (позже Sud Aviation) с 1954 по середину 1960-х годов. Единственный на настоящее время серийно строившийся реактивный вертолет. От вертолетов классической схемы его выгодно отличала именно простота пилотирования: аэродинамическая симметричность, отсутствие перекрестных связей в управлении и реактивного момента. Высокая инерция тяжелых лопастей весьма облегчала авторотацию. К сожалению, реактивный привод имеет и свои недостатки, причем некоторые из них весьма существенные. Первым делом это, конечно, экономичность. КПД подобной системы довольно маленький, что приводит к высокому и неэффективному расходу топлива. Из-за этого данный вертолет имел совсем небольшую дальность полета.

Все дело в том, что преимущество использования реактивной тяги на концах винта состоит в том, что чем больше диаметр винта, тем больше рычаг и, соответственно, меньше усилие для вращения винта. Как зависит сила от длины рычага? Она определяется моментом:

где М - момент, F - сила, 1 - длина рычага.

Отсюда не проблема вывести силу:

Чем больше рычаг, тем меньше прикладываемая сила. Т.е., чем больше длина винта с реактивным соплом на конце, тем меньше необходимая реактивная сила для вращения винта. Но вот применительно к винту с реактивным соплом на конце получается, что чем больше рычаг, тем больший линейный путь проходит сопло. Ведь длина окружности пропорционально зависит от радиуса окружности:

С - длина окружности, r - радиус окружности. А чем больше путь, тем больше затрачиваемая работа на вращение винта. Работа в общем случае определяется:

где А - работа, F - сила, S - длина пути.

В случае движения реактивного сопла, расположенного на концах винта, путь будет определяться длиной дуги: S = 1 * α, где l - длина плеча, α - угол поворота (в радианах).

Таким образом, можно выразить работу через момент:

Чем больше длина винта, тем больше рычаг, тем меньше требуется сила для вращения винта. Но при этом пропорционально возрастает работа, затрачиваемая энергией струи реактивного сопла на прохождение сопла по увеличившемся пути по окружности за счет увеличения радиуса окружности. Т.е. выигрыш в увеличении рычага с использованием реактивной струи на концах винта нивелируется пропорциональным увеличением работы, затрачиваемой на вращения винта. Поэтому винты с реактивной тягой на концах не нашли пока широкого применения. Например, вертолет Sud-Ouest S.0.1221 Djinn имел дальность полета всего 220 км. Но это при постоянной приложенной силе струи из сопла. Это похоже, если мы будем раскручивать небольшую карусель бегая по кругу. Понятное дело, что мы быстро устанем. И это неэффективно. Но если мы будем раскручивать карусель стоя на месте, прилагая усилие дискретно, то мы можем поддерживать вращение карусели длительное время. Получается, что если реактивная струя из сопла винта будет поступать импульсно, то мы получим значительный выигрыш в энергетике. Частота дискрета здесь будет зависеть от инерции вращения винта. Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении вокруг оси. Для материальной точки массы m, вращающейся вокруг оси на расстоянии Г от нее, упрощенная формула имеет вид:

Т.е инерция напрямую зависит от массы и радиуса винта. Поэтому предлагается использовать не винт, а турбину, которая имеет более значимую массу, и момент инерции в этом случае будет значительно больше. Похоже импульсная подача струи пара из сопла, расположенного на концах винта, может дать существенный экономический эффект и позволит создать прорыв в создании супер экономичного ЛА.

Для создания реактивной тяги для вращения турбины предлагается использовать пар, который образуется в жидкостной системе охлаждения ТРДД. Пар концентрируется в камере парообразования и по специальному каналу подается в сопла, расположенные на концах турбины и несколько выступают за пределы диаметра турбины для того, чтобы пар, вылетающий из сопла, направлялся в зону охлаждения, конденсировался и в дальнейшем возвращался в систему охлаждения двигателя, не пересекаясь с потоком воздуха, нагнетаемым турбиной. Пар отсекается от потока воздуха, создаваемого турбиной, экраном, который разделяет канал прохождения воздуха в сопла управления и зону конденсации. Внутри ЛА на стенках корпуса за счет низкой температуры извне пар конденсируется и в виде капель воды стекает в емкость хранения воды. А оттуда с помощью насоса через форсунку вода подается в камеру парообразования системы охлаждения ТРДД. Так образуется замкнутый цикл.

Когда мы произносим слово "авиация" мы подразумеваем, конечно, прогресс, перспективу... А когда мы произносим слово пар, почему-то мы смотрим в прошлый век. Но пар скрывает в себе огромные запасы энергии. Энергия пара может двигать тяжелые поезда и огромные пароходы, может приводить в действие многочисленные станки целого завода, а в случае катастрофы разносит вдребезги паровой котел и рушит каменные стены. Нагревая килограмм воды на один градус, мы затрачиваем 1 калорию. Когда же эта порция теплоты, калория, превращается полностью в механическую работу, получается запас энергии, достаточный для подъема килограммовой гири на высоту 427 метров. (8) Поэтому используя жидкостную систему охлаждения ТРДД, мы с одной стороны, увеличиваем ресурс двигателя, снижаем требования к жаропрочным материалам камеры сгорания, а с другой стороны, мы можем получить дополнительную бесплатную энергию за счет образования пара и используя его для как реактивную тягу для вращения турбины, которая обеспечивает дополнительную тягу при вертикальном взлете, посадке, в режиме ротации, в горизонтальном полете и служит для управления ЛА.

Описание

Управление ЛА осуществляется из кабины пилотов 2 Фиг. 1. Вначале запускаются ДТВД 4 Фиг. 1. Забор воздуха осуществляется через воздухозаборники 9 Фиг. 1. При этом прогревается жидкость в камере парообразования 7 Фиг. 1 в системе охлаждения до ее вскипания и образования давления пара. Пар из камеры парообразования под давлением направляется в сопла 13 на концах турбины 3 Фиг. 1, 2 и создают реактивную тягу. За счет чего турбина 3 начинает вращаться и осуществляет забор воздуха через воздухозаборник 10 Фиг. 1. Поток воздуха, создаваемый турбиной 3, подается в сопла 8 Фиг. 1, 2, 3 системы управления ЛА, расположенные в нижней части ЛА по краям через 90 градусов.

Предполагается, что направление потоков воздуха из сопел управления, регулируется, как по силе потока, так и по направлению. Что дает возможность балансировки ЛА по курсу и поперечную устойчивость, а также оказать дополнительную тягу при взлете-посадке и при горизонтальном полете. Причем, при полном отказе двух ТРДД 4 Фиг. 1 давление пара в камере парообразования 7 Фиг. 1,3 должно еще обеспечить реактивную тягу через сопла 13 Фиг. 1 для вращения турбины 3 Фиг. 1, что создаст поток воздуха в сопла управления 8 Фиг. 1, 2, 3 и обеспечит мягкую посадку ЛА. А при полном расходовании давления пара можно пустить поток воздуха обратно через сопла 8 Фиг. 1, 2 на турбину 3 Фиг. 1, 2 в режиме ротации. Также как и сама дискообразная форма корпуса ЛА обеспечивает парашютирование ЛА. Это дает возможность предполагать, что предлагаемый ЛА будет обладать высокой степенью безопасности. А использование дополнительной тепловой энергии в виде реактивной струи пара, должно повысить экономическую составляющую ЛА. Причем на некоторых режимах работы можно часть пара направлять в камеру сгорания для повышения тяги. Как это использовалось, например, на самолетах Boeing 707-120 с двигателями Pratt & Whitney JT3C-6 и более поздние самолеты Boeing 747-100 и 200 с двигателями Pratt & Whitney JT9D-3AW и -7AW, которые использовали впрыск воды для увеличения тяги. (9)

Выходные сопла пара 13 Фиг. 1, 2 располагаются на концах турбины 3 Фиг. 1, 2 и выступают за внешние пределы диаметра турбины 3 и за пределы корпуса 15 воздухозаборника 10 Фиг. 1. Для того, чтобы выходная струя пара не смешивалась с потоком воздуха, создаваемым турбиной 3 Фиг. 1 и отбрасывалась центробежной силой в пространство конденсации корпуса 1 Фиг. 1. Пар отсекается от потока воздуха, создаваемого турбиной 3, экраном 15 Фиг. 1, который разделяет канал прохождения воздуха 10 в сопла управления 8 Фиг. 1 и зону конденсации 1 Фиг. 1. В зоне конденсации также могут находиться гибкие емкости с гелием, с тем, чтобы пар нагревал гелий и создавал дополнительную подъемную силу. Пар после охлаждения в пространстве конденсации 1 Фиг. 1 в виде капель воды стекает в емкость хранения воды 11 Фиг. 1, а затем с помощью насоса 12 Фиг. 1 через форсунку закачивается в камеру парообразования 7 Фиг. 1. В емкости 11 Фиг. 1 находится резерв воды. Сама емкость 11 многосекционная, чтобы при наклонах ЛА не нарушалась центровка.

Основная тяга при взлете-посадке создается двумя ТРДД 4 Фиг. 1. В режиме взлета-посадки выходной поток направляется вниз через клапан 6 Фиг. 1 в сопла 14 Фиг. 1. Как, например, это предусмотрено на самолете вертикального взлета и посадки "Харриер" (10). При этом поток воздуха из сопел управления 8 Фиг. 2 обеспечивают стабилизацию Л А и создают дополнительную тягу в режиме взлета-посадки. А для горизонтального полета выходной поток ТРДД направляется через клапан 6 Фиг. 1 в выходные сопла 5 Фиг. 1,2,3, которые регулируются по интенсивности выхода струи. Этим достигается управление ЛА по курсу. Выходы струи из ТРДД поступают в выходные сопла через Х-образную развязку 16 Фиг. З, которая позволяет при выходе из строя одного из двигателей сохранить управление ЛА по курсу. Сопла управления 8 Фиг. 2, 3 позволяют изменять угол тангажа или крена ЛА, чем достигается устойчивое управление в полете. Причем, при горизонтальном полете сопла 8 Фиг. 1 могут направлять поток воздуха таким образом, чтобы способствовать горизонтальному движению.

Отсутствие подвижных поверхностей аэродинамических органов управления, сервомеханизмов для их поворота и шарниров для их навески существенно снижает вес конструкции, уменьшает радиолокационную заметность и аэродинамическое сопротивление, повышает надежность ЛА. На верхней части дискообразного корпуса можно расположить два продольных параллельно курсу движения ЛА невысоких стабилизатора, которые позволят повысить устойчивость при горизонтальном полете.

Отсутствие значительно выступающих элементов и конструкций у ЛА позволит достигать больших скоростей полета. В результате мы получим экономичный, скоростной, супер надежный ЛА с вертикальным взлетом и посадкой.

Литература

1. Непомнящих Н. и др. "Сто великих тайн", - М., Вече, 2002 г., стр. 394);

2. Патент Российской Федерации №2214945, М.кл. В64С 29/04;

3. Патент Российской Федерации RU 2012511 С1 1994.05.15;

4. Козырев Вячеслав Михайлович, Козырев Михаил Егорович, Издательство Центрполиграф, 2009 г., ISBN 978-5-9524-4413-3;

5. Sud-Ouest SO. 1221 "Djinn". Архивная копия от 21 мая 2011 на Wayback Machine;

6. Трофимова Т. И. Курс физики. 7-е изд. М.: Высшая школа, 2001. 542 с;

7. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. - М.: Наука, 1978;

8. Яков Перельман." Физика на каждом шагу" Издательство: Аванта, 2021 г.);

9. Дорошко СМ., Глазков А.С.Газотурбинные двигатели гражданской авиации. Учебное пособие. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации. 2018 г.;

10. И. Алексеев. Истребители «Харриер». // «Зарубежное военное обозрение», №1, 1980. стр. 63-66.), ЯК-141 (Берне Л. Як-141 - сверхзвуковая «вертикалка» (рус.) // Крылья Родины. -М., 1994. - №4. - С. 1-4. - ISSN 0130-2701.

Изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам управления летательными аппаратами. Летательный аппарат (ЛА) имеет дискообразную форму, центральной части ЛА кабину пилота, вокруг кабины воздухозаборник, внутри два турбовентиляторных двигателя, выполненных с возможностью изменения вектора тяги для вертикального взлета, посадки и горизонтального полета, сопла управления, выходные сопла для вертикального взлета, посадки и горизонтального полета, пространство конденсации, емкость для хранения воды с насосом для закачки воды в камеру парообразования. Управление ЛА обеспечивается воздушным потоком, направляемым воздушным винтом с реактивным приводом, который приводится в действие импульсной реактивной силой пара, образующегося в жидкостной системе охлаждения двухконтурных турбовентиляторных двигателей в камере парообразования. Воздушный винт подает поток воздуха из воздухозаборника в сопла управления, расположенные по краям корпуса в нижней части ЛА, смещенные по отношению друг к другу на 90 градусов. Обеспечивается повышение скорости, надежности ЛА с вертикальным взлетом и посадкой. 3 ил.

Летательный аппарат (ЛА), имеющий дискообразную форму, в центральной части кабину пилота, вокруг кабины воздухозаборник, внутри два турбовентиляторных двигателя, выполненных с возможностью изменения вектора тяги для вертикального взлета, посадки и горизонтального полета, сопла управления, выходные сопла для вертикального взлета, посадки и горизонтального полета, пространство конденсации, емкость для хранения воды с насосом для закачки воды в камеру парообразования, отличающийся тем, что управление ЛА обеспечивается воздушным потоком, направляемым воздушным винтом с реактивным приводом, который приводится в действие импульсной реактивной силой пара, образующегося в жидкостной системе охлаждения двухконтурных турбовентиляторных двигателей в камере парообразования, и подающим поток воздуха из воздухозаборника в сопла управления, изменяющие направление выходного потока воздуха и его интенсивность для балансировки ЛА по курсу, обеспечения поперечной устойчивости, и расположенные по краям корпуса в нижней части ЛА, смещенные по отношению друг к другу на 90 градусов.