СВЕРХЗВУКОВОЙ ПАССАЖИРСКИЙ САМОЛЁТ Российский патент 2024 года по МПК B64C30/00 B64C39/10 B64C21/02 F02K1/46 

Область техники

Изобретение относится к области авиации и может найти применение при создании сверхзвуковых пассажирских самолетов.

Уровень техники

Известен единственный в СССР сверхзвуковой пассажирский самолет ТУ-144 (ТУ-144 - Википедия), принимаемый за аналог, который совершил свой первый полет 31 января 1968 года. Самолет построен по аэродинамической схеме «бесхвостка» и представляет собой низкоплан с одним килем и с отклоняемой вниз носовой частью. Оживальное крыло с отклоненным вниз носком имеет угол стреловидности передней кромки 78° в околофюзеляжных частях и 55° на всей остальной части. Самолет имел длину 65,6 м, размах его крыльев равнялся 28,0 м, высота 12, 5 м, диаметр фюзеляжа 3,3 м. Масса пустого самолета составляла 85 т. Максимальная взлетная масса самолета составляла 180 т при максимальной массе полезного груза 15 т и максимальной массе заправляемого топлива 80 т. Четыре турбореактивных двигателя с коробчатыми воздухозаборниками устанавливались под крыльями ближе к фюзеляжу и развивали тягу на взлете до 20 тс каждый. Скорость на крейсерском режиме полета составляла 2300 км/ч, практический потолок равнялся 20 км, практическая дальность полета с 120 пассажирами составляла 3100 км. Самолет имеет трех опорное шасси, каждая основная опора состоит из амортизированной трехосной стойки с четырьмя колесами на каждой оси. Передняя амортизированная опора имеет одну ось с парой колес. Основными недостатками самолета Ту-144 были 0809 повышенный шум при полете над населенной сушей за счет возникающих при полете на сверхзвуковой скорости звуковых ударных волн и не экономичность, поскольку он потреблял большое количество топлива.

Известен проект экспериментального сверхзвукового самолета США (Lockheed Martin Х-59 - Википедия), принимаемого за прототип, имеющего новую форму крыла, удлиненную носовую часть и другие особенности конструкции, предназначенные для уменьшения звуковой ударной волны. Длина самолета с низкорасположенным стреловидным крылом 29 м, размах крыла 9,0 м, максимальная взлетная масса 14 700 кг, двигатель развивает тягу 10 тс. Самолет развивает крейсерскую скорость 1510 км/ч на высоте 17 км. Экспериментальный самолет предназначен для подтверждения правильности заложенных в него технических решений для обеспечения возможности существенного снижения ударной звуковой волны при полете над населенной сушей. Недостаток проекта состоит в том, что заложенные в него технические решения не гарантируют их достаточность при масштабировании конструкции от одноместного до многоместного пассажирского самолета, который предстоит разработать.

Таким образом, известные в настоящее время технические средства не могут обеспечить ускоренную доставку пассажиров на межконтинентальные расстояния, не создавая при этом ударную звуковую волну большой мощности при полете над населенной сушей.

Раскрытие сущности изобретения

Основным способом борьбы со звуковыми ударными волнами, представляющими собой движущиеся вместе с самолетом скачки уплотнения воздуха, является выбор аэродинамической формы самолета, которая обеспечивает уменьшение количества скачков уплотнения, снижение их интенсивности за счет применения в том числе специальных устройств или дробление больших скачков уплотнения на более мелкие скачки.

a. Предлагается сверхзвуковой пассажирский самолет, фюзеляж которого имеет не осесимметричную форму, коническую в плане, сплюснутую по вертикали, а также имеет плоские верхнюю и нижнюю поверхности и скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность. Самолет имеет удлиненную тонкую и скругленную в самом начале носовую часть клиновидной в вертикальной плоскости формы до кабины пилотов. По длине носовой части расположено несколько равноотстоящих поясов со ступенчатым локальным увеличением размера в каждом из них в форме насадка. Пояса обеспечивают формирование дополнительных слабых скачков уплотнения, ослабляющих самый мощный носовой скачок уплотнения, за счет проникновению через перфорации в них заторможенных воздушных струй.

b. Для улучшения обзора экипажа при влетах и посадках самолет имеет кабину экипажа с фонарем кабины, расположенную ниже носовой части фюзеляжа в месте стыка ее с центральной частью фюзеляжа. Для ослабления скачка уплотнения, возникающего в месте стыка, плоское днище фюзеляжа под кабиной экипажа снабжено устройством в форме насадка, обеспечивающим ослабления возникающего здесь скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

c. Самолет имеет два пассажирских салона, расположенных по бокам конического в плане фюзеляжа, что обеспечивает пассажирам не только боковой, но частично и передний обзор. Салоны имеют общий вход в них, который начинается позади кабины экипажа.

d. Самолет имеет трапециевидные в плане тонкие крылья с большим углом стреловидности. Нижняя поверхность крыльев является продолжением нижней плоскости фюзеляжа. Крылья начинаются за кабиной экипажа и заканчиваются на линии скоса фюзеляжа. Крылья снабжены элевонами. Для ослабления крыльевых скачков уплотнения путем дробления на большое число слабых скачков передняя кромка каждого крыла имеет ступенчатую форму. На каждой из ступеней передняя кромка перпендикулярна продольной оси фюзеляжа. Начало каждой из последующих ступеней является источником возникновения слабого скачка уплотнения. Для ослабления этого скачка применяется локальное устройство в форме насадка, которое обеспечивает пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

e. Самолет имеет два киля с рулями направления, закрепленные на концах крыльев. На килях установлены Т- образные треугольные в плане цельно поворотные рули высоты. Кили способны раскладываться в плоскости крыльев для обеспечения устойчивости самолета при полете на дозвуковой скорости, так что после раскладывания килей их рули направления выполняют роль закрылков, а рули высоты выполняют роль рулей направления. Рули высоты снабжены устройством в форме насадка, обеспечивающим формирование слабого скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

f. Самолет снабжен турбовентиляторными двигателями, установленными на верхней плоскости фюзеляжа в хвостовой его части. Двигатели имеют скошенные назад коробчатые воздухозаборники. Воздухозаборники являются источником слабых скачков уплотнения, для ослабления которых применяется устройство, обеспечивающее пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках устройства.

g. Одним из существенных источников шума самолета является сопло двигателя, из которого при полете истекает сверхзвуковая струя газов. Для уменьшения этого шума каждый из его двигателей снабжен устройством шумоглушения, представляющим собой перфорированную вставку в расширяющуюся часть сопла. Крепится эта вставка к внутренней части сопла с помощью ребер жесткости, параллельных продольной оси сопла. Пропуск заторможенных воздушных струй в атмосферу после их прохождения через перфорации во вставке осуществляется через зазоры между вставкой и внутренней поверхностью сопла на срезе сопла.

h. Самолет снабжен топливными баками, установленными между пассажирскими салонами и за ними. В целях повышения экономичности и экологичности самолета в качестве топлива используется жидкий водород.

i. Самолет снабжен трех опорным выпускающимся шасси, все три стойки которого закреплены под фюзеляжем и убираются в фюзеляж.

Задачей этого изобретения является разработка сверхзвукового пассажирского самолета, способного создавать существенно меньше шума при полете на сверхзвуковой скорости над населенной сушей и потребляющего меньше топлива по сравнению с аналогами.

Поставленная задача решается тем, что сверхзвуковой пассажирский самолет, содержащий фюзеляж с кабиной экипажа с фонарем кабины, крылья и хвостовое оперение с органами аэродинамического управления, турбовентиляторные двигатели, трех опорное выпускающееся шасси, баки с топливом, системы связи и управления, согласно изобретению его фюзеляж имеет не осесимметричную форму, коническую в плане, сплюснутую по вертикали, а также имеет плоские верхнюю и нижнюю поверхности и скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность, при этом самолет имеет удлиненную тонкую и скругленную в самом начале носовую часть клиновидной в вертикальной плоскости формы до кабины пилотов и расположенные по ее длине несколько равноотстоящих поясов со ступенчатым локальным увеличением размера в каждом из них в форме насадка, предназначенных для формирования дополнительных слабых скачков уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках насадка.

Самолет имеет кабину экипажа с фонарем кабины, расположенную ниже носовой части фюзеляжа в месте стыка ее с центральной частью фюзеляжа, при этом плоское днище фюзеляжа под кабиной экипажа снабжено устройством в форме насадка, обеспечивающем ослабления возникающего здесь скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках насадка.

Самолет имеет два пассажирских салона, расположенных по бокам конического в плане фюзеляжа в его центральной части и имеющих общий вход в них, начинающийся позади кабины экипажа.

Самолет имеет трапециевидные в плане тонкие снабженные элевонами крылья с большим углом стреловидности, нижняя поверхность которых является продолжением нижней плоскости фюзеляжа, начинающиеся за кабиной экипажа и заканчивающиеся на линии скоса фюзеляжа, передняя кромка каждого из которых имеет ступенчатую форму, при этом на каждой из ступеней передняя кромка перпендикулярна продольной оси фюзеляжа, а начало каждой из последующих ступеней, являющееся источником возникновения слабого скачка уплотнения, содержит локальное устройство в форме насадка, которое обеспечивает пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

Самолет имеет два киля с рулями направления, закрепленные на концах крыльев с установленными на них Т- образными треугольными в плане цельно поворотными рулями высоты, способные раскладываться в плоскости крыльев для обеспечения устойчивости самолета при полете на дозвуковой скорости, так что после раскладывания килей их рули направления выполняют роль закрылков, а рули высоты выполняют роль рулей направления, при этом рули высоты снабжены устройством в форме насадка, обеспечивающим формирование слабого скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

Самолет снабжен турбовентиляторными двигателями, установленными на верхней плоскости фюзеляжа в хвостовой его части, имеющими скошенные назад коробчатые воздухозаборники, являющиеся источником слабых скачков уплотнения и снабженные устройством, обеспечивающим пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках устройства.

Каждый из двигателей самолета снабжен устройством шумоглушения, представляющим собой перфорированную вставку в сужающуюся часть сопла с ребрами жесткости, параллельными продольной оси сопла и используемыми для крепления вставки к внутренней поверхности сопла, при этом пропуск заторможенных воздушных струй в атмосферу после их прохождения через перфорации осуществляется через зазоры между вставкой и внутренней поверхностью сопла на срезе сопла.

Самолет снабжен топливными баками, установленными между пассажирскими салонами и за ними, для хранения и питания двигателей жидким водородом.

Самолет снабжен трех опорным выпускающимся шасси, все три стойки которого закреплены под фюзеляжем.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже (фиг. 1) приведена проекция среднемагистрального самолета на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости.

На этом чертеже:

1 - носовая часть фюзеляжа;

2 - фюзеляж;

3 - верхняя поверхность фюзеляжа;

4 - нижняя поверхность фюзеляжа;

5 - скошенная часть нижней поверхности фюзеляжа;

6 - фонарь кабины экипажа;

7 - пассажирские салоны;

8 - турбовентиляторные двигатели;

9 - крылья;

10 - элевоны;

11 - кили;

12 - рули направления;

13 - рули высоты;

14 - топливные баки;

15 - шасси;

16 - насадок;

17 - перфорированная стенка;

18 - насадок;

19 - перфорированная стенка;

20 - насадок;

21 - перфорированная стенка;

22 - насадок;

23 - перфорированная стенка;

24 - перфорированная вставка;

25 - сужающаяся часть сопла.

Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения.

Сверхзвуковой пассажирский самолет содержит удлиненную тонкую и скругленную в самом начале носовую часть 1 фюзеляжа 2, имеющего не осесимметричную форму, коническую в плане, сплюснутую по вертикали с плоскими верхней 3 и нижней 4 поверхностями, а также скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность 5. Кабина экипажа с фонарем кабины 6 расположена ниже носовой части фюзеляжа 1 в месте стыка ее с центральной частью фюзеляжа 2. За кабиной экипажа по бокам фюзеляжа расположены два пассажирских салона 7 с общим входом в них, начинающимся позади кабины экипажа. На верхней плоскости фюзеляжа 2 в хвостовой его части расположены четыре турбовентиляторных двигателя 8, имеющие скошенные назад коробчатые воздухозаборники. Самолет имеет трапецевидные в плане тонкие крылья 9 с большим углом стреловидности, снабженные элевонами 10. На концах крыльев установлены кили 11 с рулями направления 12 и с Т-образными треугольными в плане цельно поворотными рулями высоты 13. Кили способны раскладываться в плоскости крыльев для обеспечения устойчивости самолета при полете на дозвуковой скорости, так что после раскладывания килей их рули направления выполняют роль закрылков, а рули высоты выполняют роль рулей направления. Топливные баки 14 с жидким водородом расположены между пассажирскими салонами и за ними. Самолет снабжен трех опорным выпускающимся шасси 15, установленным под фюзеляжем 2 и убирающимся в фюзеляж. Для ослабления мощности скачков уплотнения при полете самолета на сверхзвуковой скорости в его конструкции предусмотрены следующие мероприятия:

- по длине носовой части 1 фюзеляжа расположены два пояса со ступенчатым локальным увеличением размера в каждом из них в форме насадка 16 с перфорированными стенками 17 в них, предназначенных для формирования дополнительных слабых скачков уплотнения;

- плоское днище фюзеляжа 2 под кабиной экипажа снабжено устройством в форме насадка18 с перфорированной стенкой 19 для пропуска заторможенных воздушных струй;

- передняя кромка крыльев имеет ступенчатую форму, при этом передняя кромка перпендикулярна продольной оси фюзеляжа 2, а в начале каждой из последующих ступеней установлено устройство в форме насадка 20 с перфорированными стенками 21 для пропуска заторможенных воздушных струй;

- рули высоты снабжены устройством в форме насадка 22 с перфорированными стенками 23 для пропуска заторможенных воздушных струй;

- коробчатые воздухозаборники двигателей снабжены устройством (не показано на фиг. 1) с перфорированной стенкой, обеспечивающей пропуск заторможенных воздушных струй для ослабления скачка уплотнения;

- каждый двигатель самолета снабжен устройством шумоглушения звука истекающей из двигателя струи газов, представляющим собой перфорированную вставку 24 в сужающуюся часть сопла 25 для пропуска заторможенных воздушных струй в атмосферу на срезе сопла.

Сверхзвуковой пассажирский самолет имеет следующие характеристики. Длина самолета равна 50 м, высота фюзеляжа 3 м, максимальная высота 10,5 м, размах крыльев равен 18 м, после раскладывания килей 28,5 м, масса сухого самолета 60 т, масса полезного груза, включая 100 пассажиров, 15 т, масса заправляемого топлива 50 т, взлетная масса самолета 125 т. Крейсерская скорость самолета 2300 км, дальность полета 6000 км, практический потолок 20 км, взлетная тяга каждого из двигателей 20 тс.

Сверхзвуковой пассажирский самолет работает следующим образом. После заправки самолета и посадки пассажиров производится запуск и прогрев двигателей, после чего самолет выруливает на взлетно-посадочную полосу, раскладываются кили, выпускаются на взлетные углы закрылки, элевоны выставляется в положение «взлет», включаются тормоза шасси, двигатели переводятся на взлетный режим работы, после чего снимаются тормоза. Далее самолет разгоняется до скорости отрыва, причем вначале отрывается от взлетно-посадочной полосы передняя опора шасси, затем основные опоры. В таком состоянии самолет продолжает набор высоты и скорости. Производится уборка шасси, затем уборка закрылков. Для выхода на заданный азимут полета осуществляется маневр путем отклонения разложенных рулей высоты и элевонов. После выхода на заданный азимут полета продолжается набор высоты и скорости. Производится плавное складывание килей. При этом двигатели переводятся из взлетного режима работы на номинальный режим. После достижения параметров крейсерского полета по высоте и скорости самолет переводится в режим горизонтального полета, двигатели переводятся в крейсерский режим тяги. По достижению заданных координат полета начинается режим снижения, для чего двигатели переводятся на номинальный режим работы. Производится плавное раскладывание килей. Перед посадкой осуществляются выпуск закрылков на максимальные углы и необходимые маневры по выходу на посадочную полосу аэропорта прибытия, выпуск шасси и посадка самолета. При всех этих маневрах управление осуществляется аэродинамическими рулями управления, включая элевоны, рули высоты и направления, а также тягой двигателей. Касание взлетно-посадочной полосы осуществляется вначале колесами основных опор шасси, а затем колесами передней опоры. Посадка завершается заруливанием на стоянку, торможением движения и выключением двигателей.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку сверхзвукового пассажирского самолета, обеспечивающего существенное снижение шума при полете над населенной сушей, повышение экономичности и улучшение экологичности самолета, реализуется за счет того, что:

- самолет имеет удлиненную и заостренную носовую часть фюзеляжа с несколькими утолщениями по длине, что обеспечивает ослабление самого мощного носового скачка уплотнения, а возникающие при этом по длине носовой части слабые дополнительные скачки уплотнения уменьшают мощность крыльевых скачков уплотнения;

- самолет имеет коническую в плане, сплюснутую по вертикали форму фюзеляжа с плоскими верхней и нижней поверхностями и скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность;

- самолет имеет трапецевидные в плане тонкие крылья с большим углом стреловидности, нижняя поверхность которых является продолжением нижней плоскости фюзеляжа, а для уменьшения крыльевых скачков уплотнения передняя кромка крыла имеет ступенчатую форму с локальными устройствами ослабления скачков уплотнения в форме насадок;

- самолет имеет два киля, установленные на концах крыльев с установленными на них Т-образными треугольными в плане цельно поворотными рулями высоты, способные раскладываться в плоскости крыльев для обеспечения устойчивости самолета при полете на дозвуковой скорости, при этом рули высоты снабжены устройством в форме насадка, обеспечивающим формирование слабого скачка уплотнения;

- для повышения экономичности и улучшения экологичности самолета на нем установлены турбовентиляторные двигатели, работающие на жидком водороде, при этом для уменьшения шума от истекающей струи газов каждый из двигателей снабжен устройством шумоглушения.

Изобретение относится к авиационной технике. Сверхзвуковой пассажирский самолет содержит фюзеляж с кабиной экипажа с фонарем кабины, крылья и хвостовое оперение с органами аэродинамического управления, турбовентиляторные двигатели, трехопорное выпускающееся шасси, баки с топливом, системы связи и управления. При этом его фюзеляж имеет не осесимметричную форму, коническую в плане, сплюснутую по вертикали, а также имеет плоские верхнюю и нижнюю поверхности и скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность. При этом самолет имеет удлиненную тонкую и скругленную в самом начале носовую часть клиновидной в вертикальной плоскости формы до кабины пилотов и расположенные по ее длине несколько равноотстоящих поясов со ступенчатым локальным увеличением размера в каждом из них в форме насадка, предназначенных для формирования дополнительных слабых скачков уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках насадка. Заявленное изобретение направлено на создание сверхзвукового пассажирского самолета, способного создавать существенно меньше шума при полете на сверхзвуковой скорости над населенной сушей и потребляющего меньше топлива по сравнению с аналогами. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сверхзвуковой пассажирский самолет, содержащий фюзеляж с кабиной экипажа с фонарем кабины, крылья и хвостовое оперение с органами аэродинамического управления, турбовентиляторные двигатели, трехопорное выпускающееся шасси, баки с топливом, системы связи и управления, отличающийся тем, что его фюзеляж имеет не осесимметричную форму, коническую в плане, сплюснутую по вертикали, а также имеет плоские верхнюю и нижнюю поверхности и скошенную в хвостовой части нижнюю поверхность, при этом самолет имеет удлиненную тонкую и скругленную в самом начале носовую часть клиновидной в вертикальной плоскости формы до кабины пилотов и расположенные по ее длине несколько равноотстоящих поясов со ступенчатым локальным увеличением размера в каждом из них в форме насадка, предназначенных для формирования дополнительных слабых скачков уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках насадка.

2. Самолет по п. 1, отличающийся тем, что имеет кабину экипажа с фонарем кабины, расположенную ниже носовой части фюзеляжа в месте стыка ее с центральной частью фюзеляжа, при этом плоское днище фюзеляжа под кабиной экипажа снабжено устройством в форме насадка, обеспечивающим ослабление возникающего здесь скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

3. Самолет по п. 2, отличающийся тем, что имеет два пассажирских салона, расположенных по бокам конического в плане фюзеляжа в его центральной части и имеющих общий вход в них, начинающийся позади кабины экипажа.

4. Самолет по п. 1, отличающийся тем, что имеет трапециевидные в плане тонкие снабженные элевонами крылья с большим углом стреловидности, нижняя поверхность которых является продолжением нижней плоскости фюзеляжа, начинающиеся за кабиной экипажа и заканчивающиеся на линии скоса фюзеляжа, передняя кромка каждого из крыльев имеет ступенчатую форму, при этом на каждой из ступеней передняя кромка перпендикулярна продольной оси фюзеляжа, а начало каждой из последующих ступеней, являющееся источником возникновения слабого скачка уплотнения, содержит локальное устройство в форме насадка, которое обеспечивает пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

5. Самолет по п. 4, отличающийся тем, что имеет два киля с рулями направления, закрепленные на концах крыльев с установленными на них Т-образными треугольными в плане цельноповоротными рулями высоты, способные раскладываться в плоскости крыльев для обеспечения устойчивости самолета при полете на дозвуковой скорости, так что после раскладывания килей их рули направления выполняют роль закрылков, а рули высоты выполняют роль рулей направления, при этом рули высоты снабжены устройством в форме насадка, обеспечивающим формирование слабого скачка уплотнения за счет пропуска заторможенных воздушных струй через перфорации в стенке насадка.

6. Самолет по п. 1, отличающийся тем, что снабжен турбовентиляторными двигателями, установленными на верхней плоскости фюзеляжа в хвостовой его части, имеющими скошенные назад коробчатые воздухозаборники, являющиеся источником слабых скачков уплотнения и снабженные устройством, обеспечивающим пропуск заторможенных воздушных струй через перфорации в стенках устройства.

7. Самолет по п. 6, отличающийся тем, что каждый из его двигателей снабжен устройством шумоглушения, представляющим собой перфорированную вставку в сужающуюся часть сопла с ребрами жесткости, параллельными продольной оси сопла и используемыми для крепления вставки к внутренней поверхности сопла, при этом пропуск заторможенных воздушных струй в атмосферу после их прохождения через перфорации осуществляется через зазоры между вставкой и внутренней поверхностью сопла на срезе сопла.

8. Самолет по п. 7, отличающийся тем, что снабжен топливными баками, установленными между пассажирскими салонами и за ними, для хранения и питания двигателей жидким водородом.

9. Самолет по п. 1, отличающийся тем, что снабжен трехопорным выпускающимся шасси, все три стойки которого закреплены под фюзеляжем.