Вертолет соосной схемы (варианты) Российский патент 2024 года по МПК B64C15/00 B64C27/10 B64C23/06 

Настоящее изобретение относится к конструкции винтокрылого летательного аппарата - вертолета соосной схемы со струйной системой управления.

Вертолеты соосной схемы отличаются от вертолетов других схем тем, что в конструкции их винтовой системы используются два несущих винта, вращающихся вокруг общей оси в противоположных направлениях.

Из уровня техники известны вертолеты соосной схемы и системы управления такими вертолетами RU 2417922 C2, 10.05.2011; SU 1826423 A1, 10.12.1995; RU 2726560 C1, 14.07.2020; RU 2658467 C1, 21.06.2018; US 11597507 B2, 07.03.2023; US 6886777 B2, 03.05.2005; US 7967239 B2, 28.06.2011 и др.

Конструктивно-аэродинамическая схема соосного вертолета обеспечивает возможность как взаимно уравновесить реактивные моменты верхнего и нижнего несущих винтов, так и обеспечить возможность управления тягой соосного винта, моментами тангажа, крена и рысканья вертолета на всех режимах полета с помощью системы управления соосного несущего винта, представляющей собой специальную сложную механическую конструкцию, обеспечивающую возможность управления углами установки лопастей в зависимости от их азимутального положения.

Для управления тягой соосного несущего винта производится одновременное изменение углов установки всех его лопастей подсистемой управления общим шагом.

Для управления моментом рысканья вертолета соосной схемы производится противоположно направленное изменение углов установки лопастей верхнего и нижнего соосных несущих винтов подсистемой управления дифференциальным общим шагом.

Для управления моментами тангажа и крена вертолета соосной схемы с помощью автоматов перекоса производится согласованное циклическое изменение углов установки лопастей верхнего и нижнего соосных несущих винтов подсистемами управления циклическим шагом в продольном и поперечном каналах.

Таким образом, система управления вертолетов соосной схемы - сложная механическая система, содержащая большое количество элементов, в том числе, такие сложные, как автоматы перекоса, без которых управление вертолетом невозможно, и системы их приводов. Элементы такой системы управления подвержены большим переменным нагрузкам, особенно на высоких скоростях полета и/или при маневрировании с большими перегрузками, что снижает надежность и ресурс системы и накладывает существенные ограничения на параметры и компоновку лопастей несущих винтов.

В данном изобретении предложено альтернативное устройство для управления вертолетом соосной схемы по тангажу, крену и рысканью с помощью струйной системы управления и варианты конструкции вертолета с такой системой управления.

Известна струйная система путевого управления одновинтового вертолета NOTAR (без хвостового винта), описанная в патенте US 4948068 А, 14.08.1990. Струйная система путевого управления одновинтовым вертолетом применяется вместо рулевого винта, обеспечивая компенсацию реактивного момента несущего винта и управление в канале рысканья. Струйная система NOTAR состоит из воздухозаборника, вентилятора, установленного в задней части фюзеляжа, воздушного канала в хвостовой балке, системы воздушных щелевых сопел системы суперциркуляции, расположенных вдоль образующих хвостовой балки, и хвостового сопла изменяемой площади.

Недостатком такого решения является его одноканальность, то есть невозможность создания с помощью такой системы управляющих моментов крена и тангажа вертолета, что приводит к необходимости использования в системе управления вертолета также и автомата перекоса и других взаимодействующих с ними элементов механической системы управления. Также этот вертолет является одновинтовым.

Известна также струйная система управления моментами крена и рысканья самолетов вертикального взлета и посадки Як-36, Як-38, Як-141, AV-8 Harrier, F-35 и др., состоящая их двух воздушных каналов отбора сжатого воздуха от двигателя, расположенных вдоль размаха консолей крыла и двух управляемых реактивных сопел на оконечностях консолей крыла. Управление величинами моментов крена самолета вертикального взлета и посадки осуществляется с помощью дифференциального изменения давления и расхода воздуха через управляемые сопла, направляющие сжатый воздух вниз, а управление величинами моментов рысканья осуществляется за счет отклонения осей управляемых сопел от вертикали на сравнительно небольшие углы (разные по знаку для правого и левого сопла) в плоскостях, примерно параллельных плоскости симметрии самолета.

Такая струйная система также не решает задачу устранения автоматов перекоса из механической системы управления вертолета соосной схемы.

Задачей, на которую направлено предлагаемое техническое решение, является создание конструкции вертолета соосной схемы, обеспечивающей управление аэродинамическими моментами: тангажа, крена и рысканья, без использования автоматов перекоса и других, взаимодействующих с ними элементов в винтовой системе вертолета соосной схемы.

Техническим результатом является упрощение и удешевление винтовой системы вертолета соосной схемы, повышение ее надежности, безотказности и ресурса, за счет использования струйной системы управления, а также расширение арсенала технических средств в области вертолетов соосной схемы.

Технический результат достигается с помощью следующих двух предложенных вариантов исполнения вертолетов соосной схемы.

1-й вариант.

Вертолет соосной схемы со струйной системой управления, характеризующийся тем, что содержит фюзеляж, шасси, две хвостовые балки с внутренними воздушными каналами, присоединенные к фюзеляжу вертолета и разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета, соосные несущие винты, напрямую приводимые во вращение отдельными электродвигателями, источник электроэнергии, воздухозаборники, расположенные на фюзеляже, по меньшей мере два импеллера с индивидуальными приводами, расположенные внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений балок и, по меньшей мере, два управляемых сопла, расположенных на оконечностях балок.

2-й вариант.

Вертолет соосной схемы со струйной системой управления, характеризующийся тем, что содержит фюзеляж, шасси, две хвостовые балки с внутренними воздушными каналами, присоединенные к фюзеляжу вертолета и разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета, соосные несущие винты, двигатель внутреннего сгорания, приводящий во вращение посредством трансмиссии соосные винты и, по меньшей мере, один силовой вентилятор, расположенный внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений балок, и, по меньшей мере, два управляемых сопла, расположенных на оконечностях балок.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема малоразмерного беспилотного вертолета соосной схемы без автомата перекоса со струйной системой управления и непосредственным приводом несущих винтов с помощью электродвигателей.

Позициями на фиг. 1 обозначены:

1 - фюзеляж;

2 - источник электроэнергии;

3 - электродвигатели верхнего и нижнего несущих винтов;

4 - хвостовые балки;

5 - управляемые реактивные сопла;

6 - вентиляторы (импеллеры) струйной системы управления;

7 - лопасти соосных несущих винтов;

8 - втулки соосных несущих винтов;

9 - шасси.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема малоразмерного беспилотного вертолета соосной схемы без автомата перекоса со струйной системой управления с трансмиссией и двигателем внутреннего сгорания.

Позициями на фиг. 2 обозначены:

1 - фюзеляж;

4 - хвостовые балки;

5 - управляемые реактивные сопла;

7 - лопасти соосных несущих винтов;

8 - втулки соосных несущих винтов;

9 - шасси;

10 - двигатель внутреннего сгорания;

11 - трансмиссия;

12 - силовой вентилятор.

На фиг. 3 представлена схема простейшего поворотного сопла.

На фиг. 4 показано сопло с изменяемой площадью выходного сечения.

Вертолет по варианту 1 содержит:

- фюзеляж 1 с воздухозаборниками (на фигурах условно не показаны), выполненными любой известной и подходящей к геометрии фюзеляжа конструкции (обеспечивающими снабжение струйной системы управления потребным расходом воздуха, в том числе - необходимым для охлаждения агрегатов), позволяющий разместить основные системы и агрегаты вертолета и отсеки для полезной нагрузки, запас энергии 2 (например, аккумулятор или топливные элементы) и отсеки для полезной нагрузки;

- соосный несущий винт, состоящий из верхнего и нижнего винтов, без системы циклического управления шагом лопастей, состоящий из лопастей 7 и втулок 8 верхнего и нижнего несущих винтов;

- системы приводов 3 (электродвигатели), обеспечивающих независимое вращение верхнего и нижнего несущих винтов;

- две хвостовые балки 4, разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета, оси которых могут быть расположены под острыми углами к плоскости симметрии вертолета, либо могут быть параллельными, причем расстояние от плоскости симметрии вертолета до выходного сечения сопел выбирают в диапазоне 0,3 - 0,8 радиуса несущего винта, а расстояние от плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии вертолета и проходящей через ось несущего винта, до выходного сечения сопел выбирают в диапазоне 0,5 - 1,2 радиуса несущего винта;

- струйная система управления, которая включает последовательно расположенные воздухозаборники, вентиляторы 6 с индивидуальными приводами (импеллеры), внутренние воздушные каналы (на фигурах условно не показаны), расположенные в хвостовых балках и управляемые сопла 5 на их оконечностях;

- шасси 9.

Вертолет по варианту 2 содержит:

- фюзеляж 1 с воздухозаборниками (на фигурах условно не показаны), выполненными любой известной и подходящей к геометрии фюзеляжа конструкции (обеспечивающими необходимое охлаждение агрегатов и снабжение струйной системы потребным расходом воздуха), позволяющий разместить основные системы и агрегаты вертолета и отсеки для полезной нагрузки: двигатель внутреннего сгорания 10, силовой вентилятор 12, трансмиссию 11, выполненную с возможностью передачи крутящего момента отдельно на верхний и на нижний соосные винты и силовой вентилятор 12;

- соосный несущий винт, состоящий из верхнего и нижнего винтов, без системы циклического управления шагом лопастей, состоящий из лопастей 7 и втулок 8 верхнего и нижнего несущих винтов;

- две хвостовые балки 4, разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета и оси которых расположены под острыми углами к плоскости симметрии вертолета, либо могут быть параллельными, причем расстояние от плоскости симметрии вертолета до выходного сечения сопел выбирают в диапазоне 0,3 - 0,8 радиуса несущего винта, а расстояние от плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии вертолета и проходящей через ось несущего винта, до выходного сечения сопел выбирают в диапазоне 0,5 - 1,2 радиуса несущего винта;

- струйная система управления, включает последовательно расположенные воздухозаборники, силовой вентилятор 12, внутренние воздушные каналы (на фигурах условно не показаны), расположенные в хвостовых балках и управляемые сопла 5 на их оконечностях;

- шасси 9.

Отличие компоновки соосного вертолета по варианту 2 от компоновки соосного вертолета по варианту 1 состоит в том, что вместо электродвигателей используется двигатель внутреннего сгорания 10, для передачи крутящего момента использована трансмиссия 11, также посредством трансмиссии вращается силовой вентилятор 12. Такая силовая установка приводит к определенному усложнению конструкции и условий эксплуатации, однако обеспечивает значительное увеличение продолжительности и дальности полета.

На практике, и для первого, и для второго варианта компоновки, если серийные импеллер или силовой вентилятор не удовлетворяют запросу по производительности, в струйную систему управления могут быть установлены два и более импеллера или два и более силовых вентилятора.

Принцип работы струйной системы управления аэродинамическими моментами вертолета соосной схемы следующий:

Воздух из воздухозаборников поступает в воздушные каналы и далее нагнетается в сопла соответствующим устройством. Это либо импеллеры с индивидуальными приводами, расположенные внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений хвостовых балок (вар.1), либо силовой вентилятор, расположенный внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений хвостовых балок (вар.2). Струйная система одновременно выполняет функции охлаждения силовой установки (СУ): двигателя внутреннего сгорания или электродвигателей, и трансмиссии, то есть струйная система управления интегрирована с силовой установкой аппарата. Управляемые сопла, установленные на оконечностях хвостовых балок, присоединенных к фюзеляжу вертолета, оснащены механизмами поворота и/или перепускными окнами для изменения площади выходного сечения, для создания вертикальных и горизонтальных составляющих силы тяги.

Поворот сопла и изменение площади перепускных окон может осуществляться с помощью электрического сервопривода или любого механического устройства, связанного с системой автоматического управления.

Необходимые для балансировки и управления вертолетом величины реактивных сил тяги хвостовых сопел регулируются за счет управления расходом и/или давлением воздуха, поступающего от устройства для нагнетания воздуха (импеллеры или силовые вентиляторы) струйной системы в ее каналы и далее в хвостовые сопла.

В результате обеспечивается возможность управления реактивными силами сопел струйной системы вертолета в горизонтальной и вертикальной плоскостях таким образом, что сочетание их возможных комбинаций обеспечивает необходимые величины моментов крена, тангажа и рысканья как для балансировки, так и для управления угловым положением вертолета. Управление моментами рысканья вертолета соосной схемы может также обеспечиваться за счет дифференциального управления моментами несущих винтов на всех режимах полета, при этом обеспечивается максимальное упрощение (и, соответственно, удешевление) конструкции и повышение ее надежности.

Хвостовые реактивные сопла вертолета соосной схемы без автоматов перекоса со струйной системой управления решают задачи создания вертикальных и горизонтальных составляющих реактивных сил и могут быть различной конструкции. Для примера, на фиг. 3 представлена схема простейшего поворотного сопла.

Ориентация выходящей струи воздуха такого сопла задает соотношение вертикальной и горизонтальной составляющих его силы тяги. Величина силы тяги сопла определяется импульсом истекающей струи воздуха, площадью его выходного сечения и избыточным давлением воздуха на его срезе. Требуемое сочетание горизонтальной Т_г и вертикальной Т_в составляющих силы тяги сопла достигается поворотом сопла на угол θ=arctg(Т_в/Т_г) относительно плоскости строительной горизонтали вертолета с помощью специального механического или электрического привода любой известной подходящей конструкции.

Таким образом, необходимое соотношение вертикальных и горизонтальных составляющих реактивной силы каждого сопла достигается поворотом реактивных сопел вокруг их оси вращения относительно оси, примерно параллельной строительной горизонтали вертолета на определенные углы. А управление величиной реактивной силы осуществляется за счет изменения напора и расхода воздуха струйной системы.

Возможен также вариант сопла, содержащего окна на верхней и нижней поверхности балки (фиг. 4). При этом управление вертикальной составляющей суммарной реактивной силы сопла осуществляется изменением соотношения площадей верхнего и нижнего окна, например, посредством поворотной створки. При необходимости создания горизонтальной компоненты реактивной силы аналогичные окна могут быть размещены на боковых поверхностях оконечности балки. Такой вариант сопла может обеспечить повышение быстродействия системы управления, поскольку не требует обязательного изменения производительности (расхода/напора) относительно инерционного импеллера или силового вентилятора.

В зависимости от поставленной технической задачи возможно совмещение в конструкции сопла обоих способов управления величиной вертикальной и горизонтальной составляющих сил тяг реактивного сопла (и поворот и изменение площади выходного сечения) или увеличение количества сопел.

Необходимая для балансировки и управления вертолета величина равнодействующей реактивной силы тяги сопла достигается управлением массовым расходом и давлением воздуха в его струйной системе управления, что может обеспечиваться с помощью изменения частоты вращения устройства для нагнетания воздуха (импеллеров или силового вентилятора) или изменением углов установки его рабочих лопаток - как рабочего колеса, так и направляющего и/или спрямляющего аппаратов.

При этом во всех вариантах компоненты реактивных сил тяг управляемых реактивных сопел на соответствующих плечах, параллельные плоскости строительной горизонтали вертолета, создают моменты рысканья, а перпендикулярные этой плоскости компоненты сил реактивных тяг управляемых реактивных сопел на соответствующих плечах, создают моменты тангажа и/или крена.

Таким образом, предложенное устройство двухбалочной струйной системы вертолета соосной схемы обеспечивает возможность создания моментов тангажа, крена и рысканья, как для балансировки, так и для управления угловым движением вертолета:

- с помощью управления суммой горизонтальных составляющих тяг хвостовых сопел реализуется управление моментами рысканья вертолета;

- с помощью управления суммой вертикальных составляющих тяг хвостовых сопел реализуется управление моментами тангажа вертолета;

- управление моментами крена осуществляется за счет дифференциального (направленного в разные стороны) управления вертикальных составляющих сил тяг хвостовых сопел, разнесенных в противоположные стороны относительно плоскости симметрии вертолета.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить управление моментами тангажа, крена и рысканья вертолета соосной схемы без использования автоматов перекоса и других, взаимодействующих с ними элементов, что упрощает и удешевляет винтовую систему и повышает ее надежность, безотказность и ресурс.

Для отработки предлагаемого технического решения в НИЦ КИ и РВКЛА ЦАГИ создан экспериментальный аппарат-демонстратор, представляющий собой беспилотный вертолет с взлетной массой около 100 кг и диаметром соосных несущих винтов 2 м. Силовая установка включает два электродвигателя непосредственного привода соосных несущих винтов, аккумуляторную батарею и электронную систему управления. Струйная система содержит два импеллера, размещенные на входах хвостовых балок, присоединенных к фюзеляжу. На концах хвостовых балок установлены поворотные сопла, управляемые сервоприводами. Конструкция сопел соответствует показанной на фиг. 3. Управление моментом рыскания данного аппарата осуществляется изменением частот вращения верхнего и нижнего винтов. Дополнительно этот момент может управляться изменением режимов работы импеллеров. Управление моментом тангажа осуществляется синхронным поворотом сопел, а моментом крена - их асинхронным поворотом. Импеллеры струйной системы обеспечивают также прокачку воздуха через фюзеляж и, соответственно, охлаждение компонентов силовой установки.

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам управления соосными вертолетами. Вертолет соосной схемы со струйной системой управления содержит фюзеляж, шасси, две хвостовые балки с внутренними воздушными каналами, присоединенные к фюзеляжу вертолета и разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета источник электроэнергии, воздухозаборники, расположенные на фюзеляже. Соосные несущие винты приводятся во вращение непосредственно отдельными электродвигателями или ДВС посредством трансмиссии. Два импеллера с индивидуальными приводами или силовой вентилятор расположены внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений балок. По меньшей мере два управляемых сопла расположены на оконечностях балок. Обеспечивается упрощение винтовой системы вертолета соосной схемы, повышение надежности, безотказности и ресурса. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вертолет соосной схемы со струйной системой управления, характеризующийся тем, что содержит фюзеляж, шасси, две хвостовые балки с внутренними воздушными каналами, присоединенные к фюзеляжу вертолета и разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета, соосные несущие винты, напрямую приводимые во вращение отдельными электродвигателями, источник электроэнергии, воздухозаборники, расположенные на фюзеляже, по меньшей мере два импеллера с индивидуальными приводами, расположенные внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений балок, и по меньшей мере два управляемых сопла, расположенных на оконечностях балок.

2. Вертолет соосной схемы со струйной системой управления, характеризующийся тем, что содержит фюзеляж, шасси, две хвостовые балки с внутренними воздушными каналами, присоединенные к фюзеляжу вертолета и разнесенные по разные стороны от плоскости симметрии вертолета, соосные несущие винты, двигатель внутреннего сгорания, приводящий во вращение посредством трансмиссии соосные винты и по меньшей мере один силовой вентилятор, расположенный внутри фюзеляжа вблизи корневых сечений балок, а также содержит по меньшей мере два управляемых сопла, расположенных на оконечностях балок.