Система безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата при остановившемся двигателе Российский патент 2024 года по МПК B64C27/06 B64D35/08 B64D25/00 

Изобретение относится к авиации, а именно к системам обеспечения безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата на примере вертолета при аварийной остановке двигателя.

При аварийной остановке двигателя вертолет падает и набегающие потоки воздуха, проходя через омывающую лопастями воздушную поверхность, создают авторотацию лопастей и уменьшают скорость падения. При этом вал несущего винта передает вращение валам, турбин двигателя, главному редуктору, карданному валу, промежуточному и хвостовому редукторам, валу рулевого винта и его лопастям. В результате сопротивления воздуха лопастям, несущего и рулевого винтов, а также потерям мощности при вращении валов двигателя и трансмиссии, частота вращения лопастей несущего винта значительно уменьшается и скорость падения не обеспечивает безопасное приземление вертолета. Для снижения скорости падения при авторотации в тяжелых вертолетах на валах двигателя перед главным редуктором трансмиссии установлены обгонные муфты, которые при остановке двигателя разъединяет его с главным редуктором трансмиссии и при авторотации несколько облегчают вращение лопастей несущего вала, но трансмиссия остается соединенной с несущим валом. Скорость падения уменьшается, но не достигает величины безопасного приземления вертолета. Только опытные пилоты могут осуществить безопасную посадку ней авторотации лопастей при разъединенной с двигателем трансмиссией вертолета с сохранением жизни пассажиров и летного экипажа, и только на ровную посадочную поверхность, но в большинстве случаев это не обходится без серьезных травм, так как кресла не имеют противоударных устройств, а вертолет разбивается до невозможности восстановления. При остановке двигателя над непригодными для приземления местами: озеро, лес или хаос камней в предгорной или горной местности, авария при падении вертолета практически неизбежна.

Известна система безопасного приземления вертолета при остановке двигателя, содержащая запасной пневмодвигатель для кратковременной раскрутки лопастной несущего винта (патент RU №2731828, МПК В64С 27/04.2019 г.). Недостаток системы сложность и большая стоимость, так как кроме запасного пневмодвигателя она имеет герметичную емкость для сжатого воздуха или химических реагентов, при реакции которых выделяется необходимый объем газа для вращения лопастей несущего винта. Система ненадежна, так как при остановке двигателя на большой высоте запас сжатого воздуха израсходуется раньше приземления вертолета, а при малой высоте (50-100 метров), когда время падения составляет считанные секунды, запасной пневмодвигатель не успеет раскрутить лопасти до частоты необходимой для посадки вертолета без аварии.

Известна также система безопасного приземления вертолета при остановке двигателя, в котором на концах лопастей для их кратковременной раскрутки установлены стартовые реактивные двигатели (патент RU №2333135, МПК 64С 27/04.2008 г.). Как и в первом аналоге для раскрутки лопастей несущего вала требуется большая мощность, так как вращение лопастей происходит с вращением валов газотурбинного двигателя и трансмиссии вертолета. При остановке двигателя и включения стартовых реактивных двигателей на большой высоте запаса топлива не хватит до безопасного приземления, а при включении на малой высоте пилот не сможет мгновенно принять решение по запуску стартовых двигателей, но и при их запуске стартовые двигатели будут продолжать работать при посадке вертолета, что неизбежно вызовет пожар. Кроме этого, точно рассчитать время включения стартовых реактивных двигателей для осуществления безопасного приземления вертолета практически невозможно.

Известна также система безопасного приземления вертолета (патент США №2377161, МПК В64С 27/00.2006 г.) патентообладатель фирма Сикорски эркрафт корпорейшн, в которой двигатель и главный редуктор трансмиссии разъединены обгонной муфтой для облегчения вращения лопастей при авторотации. Это несколько уменьшает скорость падения вертолета, но недостаточно для безопасного его приземления, так как валы несущего и рулевого винтов с лопастями остаются соединенными с редуктором и трансмиссией. Приземление вертолета возможно только на ровную или подготовленную площадку. При остановившемся двигателе над лесом, морем или хаосом камней в горной местности, аварии неизбежны по причине заваливания вертолета набок, ударом о неожиданные препятствия и, в результате, возможного возгорания.

Наиболее близким аналогом является (патент РФ №2333866, МПК В64С 23/04. 2006), в котором описана система безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата, включающая двигатель, соединенный обгонной муфтой с валом несущего винта, трансмиссию, генератор бортовой электрической сети, соединенный с аккумулятором и устройство раскрутки лопастей до штатной частоты вращения при остановке двигателя. В известной системе двигатель при остановке разъединяется обгонной муфтой с главным редуктором и трансмиссией, но несущий и рулевой винты с валами трансмиссии не разъединяются и вращаются вместе с ними. Это намного снижает частоту вращения лопастей и скорость падения вертолета уменьшается незначительно. Для обеспечения мягкой посадки вертолет снабжен устройством раскрутки лопастей до штатной частоты вращения при остановившемся двигателе, выполненным в виде пневмодвигателя, соединенным с баллоном сжатого воздуха, а при поломке лопастей рулевого винта для стабилизации полета и исключения осевого вращения вертолета, установленными на хвостовой балке реактивными двигателями.

В известной системе обгонная муфта установлена между двигателем и главным редуктором, а вал несущего винта от главного редуктора и трансмиссии не отсоединен и при ротации лопастей вращает шестерни валов главного, промежуточного и хвостового редукторов, карданный вал, а также лопасти и вал рулевого винта. Hi привод этих узлов и деталей затрачивается большая мощность, что значительно снижает частоту вращения лопастей вала несущего винта, ненамного уменьшает скорость падения вертолета и не обеспечивает безопасного его приземления.

Технической задачей изобретения является создание простой, малозатратной системы, обеспечивающей мягкую посадку винтокрылого летательного аппарата пилотом даже с малым налетным временем, возможность зависания для визуальной оценки места приземления или ухода из опасной зоны посадки (лес, озеро, болото или горная местность) в поисках участка безопасной вертикальной посадки, а при тумане или задымлении, ограничивающих видимость земли, или в зоне вооруженного конфликта уходить из неблагоприятной для приземления зоны или от возможного огневого поражения.

Техническая проблема, решаемая изобретением и обеспечиваемый им технический результат, состоит в том, что система безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата, включает двигатель, соединенный через обгонную муфту с валом несущего винта, генератор бортовой электрической сети, соединенный с аккумулятором и устройство раскрутки лопастей до штатной частоты вращения при остановившемся двигателе. Новым в системе является то, что обгонная муфта установлена на валу несущего винта и система снабжена дополнительной тождественной муфтой, установленной на валу рулевого винта, а также -дополнительным аккумулятором, соединенным кабелем через реле с электромотор-генератором. Генератор бортовой электрической сети дополнительно соединен через реле с электромотором - генератором.

Изобретение характеризуется также тем, что электромотор-генератор и электромотор установлены соосно на валах несущего и рулевого винтов, а также тем, что электромотор-генератор установлен на фюзеляже, а электромотор - на хвосте вертолета и связаны приводом соответственно с несущим и рулевым винтами.

Причинно-следственная связь новых признаков системы безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата и достигаемого технического результата состоит в следующем:

- установка тождественных обгонных муфт на валах несущего и рулевого винтов, позволила отсоединить несущий и рулевой винты от трансмиссии и двигателя и обеспечить облегченное их вращение по инерции при остановившемся двигателе;

- снабжение системы дополнительным аккумулятором, соединенным кабелем через реле с электромотор-генератором, позволило при остановившемся двигателе произвести раскрутку валов несущего и рулевого винтов до полетной частоты вращения и исключить авторотацию лопастей;

- соединение генератора бортовой электрической сети через реле с электромотор-генератором, позволило обеспечить переключения мотор-генератора в режим генератора при работающем двигателе для зарядки дополнительного аккумулятора, или в режим электромотора для раскрутки лопастей несущего и рулевого винтов при остановившемся, двигателе за счет энергии дополнительного аккумулятора,

- установка электромотор-генератор и электромотора соосно на валах несущего и рулевого винтов, или - электромотор-генератора на фюзеляже, а электромотора на хвостовой балке вертолета, связанных приводом соответственно с несущим и рулевым винтами, позволила применять заявляемую систему на разных типах вертолетов.

Система безопасного приземления винтокрылого летательного аппарата с приведенными выше новыми признаками изобретения, позволяет обеспечить мягкую аварийную посадку вертолета при остановившемся двигателе, как опытному пилоту, так и новичку в условиях летной подготовки, зависать для оценки возможности приземления или увести летательный аппарат на расстояние для выбора места безопасной посадки или ухода из неблагоприятной для посадки зоны.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 показана схема вертолета с одноосным несущим винтом, снабженного системой безопасного приземления; фиг.2 - структурная схема трансмиссия вертолета с указанной выше системой; фиг.3 - место А на фиг.2 показана схема одной из тождественных обгонных муфт, установленных на валах несущего и рулевого винтов; фиг.4 - то же, разрез Б-Б на фиг.3, показано фиксированное расположение верхней и нижней частей несущего вала, соединенного обгонной муфтой.

Винтокрылый летательный аппарат (далее вертолет) с одноосным винтом содержит, закрепленные сверху из фюзеляже I (фиг.1 и 2) двигатель 2, трансмиссию 3, валы несущего 4 и рулевого 5 винтов с лопастями соответственно 6 и 7, а также генератор 8 и аккумулятор 9 бортовой электрической сети. Двигатель 2 валом 10 через главный редуктор 11, соединен с валом 4 несущего винта, на котором последовательно установлены электромотор-генератор 12 и обгонная муфта 13, соединяющая верхнюю и нижнюю части разделенного несущего вала 4. Указанная муфта выполнена в виде ведущего звена 14 (фиг. 3 и 4), образованного на нижней части вала 4, роликов 15 и ведомого звена 16 с плечиком 17, образованным на верхней части вала 4. На опорных стойках 27 статора мотор-генератора 12 закреплено кольце 18, на котором съемно установлено плечико 19. Плечико 17 соединено или выполнено заодно с внутренним кольцом шарикового двухрядный упорного подшипника 20, который опирается на кольце 18 и поджимается плечиком 19 для фиксированного положения разъединенных муфтой 13 несущего вала 4 и устранения нагрузки на ролики 15 от массы вертолета при полете и массы несущего винта при стоянке вертолета. Главный редуктор 11 соединен карданным валом 21 с промежуточным 22 и хвостовым 23 редукторами, валом 5 рулевого винта и через дополнительную обгонную муфту 24, тождественную муфте 13, с электромотором 25 вращения лопастей 7. Корпус 26 электромотор - генератора 12 опорными стойками 27 закреплен на главком редукторе 11 для фиксации неподвижного положения его статора. Генератор 8 бортовой электрической сети, соединен валом 28 с главным редуктором 11 и кабелем 29 со штатным аккумулятором 9 для его подзарядки, а также через реле 30 с мотор-генератором 12, соединенным кабелем 31 с дополнительным аккумулятором 32 и кабелем 33 с электромотором 25.

В стояночном положении вертолета после остановки двигателя 2 пилот отключает от мотор-генератора 12 дополнительный аккумулятор 32, а после запуска вертолета - подключает его снова. После запуска двигателя 2, вал 10 через главный редуктор 11 трансмиссии 3 и обгонную муфту 13, приводит во вращение вал 4 несущего винта с лопастями 6, которые обеспечивают вертикальный подъем вертолета. Подъем осуществляется верхней частью разъединенного вала 4, плечиком 17, ведомым звеном 16 муфты 13, соединенным или выполненным заодно с внутренним кольцом двухрядный упорного шарикового подшипника 20, верхним рядом шариков указанного подшипника, плечиком 19, кольцом 18 и нижней частью вала 4. При посадке вертолета ведомое звено 16 верхней части вала 4 плечиком 17 опирается на нижний ряд шариков подшипника 20, который передает нагрузку несущего винта с электромотор-генератором 12, лопастями 6 и узлом их управления на кольцо 18, закрепленный на опорных стойках 27 корпуса 26 статора мотор-генератора 12. Таким образом обгонная муфта 13 не испытывает нагрузок от массы вертолета при полете и массы верхней части несущего вала 4 при посадке. Генератор 8 бортовой электрической сети при работающем двигателе 2 получает вращение от главного редуктора 11 валом 28 и кабелем 29 подает электрический ток на штатный аккумулятор 9 для его подзарядки и на реле 30 мотор-генератора 12, которое включает электромотор-генератор 12 в режим генератора, подающего кабелем 31 электрический ток на подзарядку дополнительного аккумулятора 32. При остановившемся двигателе 2 ведущие звенья 14 тождественных обгонных муфт 13 и 24 останавливаются, ролики 15 выходят из сцепления с ведомыми звеньями 16, а облегченные лопасти 6 и 7 несущего и рулевого винтов по инерции продолжают вращаться с замедлением частоты оборотов. Генератор 8 прекращает подачу электрического тока на штатный аккумулятор 9, электромотор-генератор 12 прекращает подачу электрического тока на дополнительный аккумулятор 32, а реле 30 мгновенно автоматически переключает электромотор-генератор 12 из режима генератора в режим электромотора и кабелем 31 подает электрический ток от дополнительного аккумулятора 32 на электромотор-генератор 12, который в режиме электромотора раскручивает лопасти 6 вала 4 несущего винта и кабелем 33 подает электрический ток от дополнительного аккумулятора 32 на электромотор 25 вращения лопастей 7 вала 5 рулевого винта для стабилизации полета и предотвращения осевого вращения вертолета. При этом авторотация лопастей 6 не возникает падение вертолета прекращается, и пилот может спокойно перевести его в зависание для оценки возможного мягкого приземления или увести для выбора места удобной посадки.

Применение изобретения позволяет при остановке двигателя 2 обеспечить штатную частоту вращения лопастей 6 и 5 винтов вертолета, а при необходимости придать несущему и хвостовому винтам увеличенную частоту вращения для быстрого ухода из опасной зоны, например, из зоны вооруженного конфликта и гарантированно избежать жертв и разрушения вертолета при вынужденных посадках с остановившимся двигателем.

Затраты на проектирование, изготовление опытных образцов, испытания и серийного производства вертолетов ничтожно малы по сравнению с материальными затратами и жертвами аварий, тем более при использовании вертолетов в боевой обстановке. Использование изобретения потребует незначительных изменений в конструкции вертолетов, так как возможно применение стандартизованных деталей и узлов обгонных муфт, электромотор-генератора, электромотора и дополнительного аккумулятора.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям систем, обеспечивающих безопасность винтокрылых летательных аппаратов. Система приземления винтокрылого летательного аппарата при остановившемся двигателе включает обгонную муфту, соединяющую двигатель с валом несущего винта, устройство раскрутки лопастей до штатной частоты вращения при остановившемся двигателе. Обгонная муфта установлена на валу несущего винта. Система снабжена дополнительной обгонной муфтой, установленной на валу рулевого винта, и дополнительным аккумулятором. Устройство раскрутки лопастей выполнено в виде закрепленного на валу несущего винта или установленного на фюзеляже электромотор-генератора и установленного на валу рулевого винта или на хвосте вертолета электромотора. Генератор бортовой электрической сети дополнительно соединен через реле с электромотором-генератором для переключения его при работающем двигателе в режиме генератора для зарядки дополнительного аккумулятора, а при остановившемся двигателе - в режим электромотора. Обеспечивается мягкая посадка винтокрылого летательного аппарата при отказе двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система приземления винтокрылого летательного аппарата при остановившемся двигателе, включающая обгонную муфту, соединяющую двигатель с валом несущего винта, устройство раскрутки лопастей до штатной частоты вращения при остановившемся двигателе, отличающаяся тем, что обгонная муфта установлена на валу несущего винта, а система снабжена тождественной дополнительной обгонной муфтой, установленной на валу рулевого винта, и дополнительным аккумулятором, при этом устройство раскрутки лопастей выполнено в виде закрепленного на валу несущего винта или установленного на фюзеляже электромотор-генератора и установленного на валу рулевого винта или на хвосте вертолета электромотора, генератор бортовой электрической сети дополнительно соединен через реле с электромотором-генератором для переключения его при работающем двигателе в режиме генератора для зарядки дополнительного аккумулятора, а при остановившемся двигателе - в режим электромотора, при этом мотор-генератор соединен кабелями с дополнительным аккумулятором для раскрутки лопастей несущего и рулевого винтов.

2. Система по п. 1, отличающаяся, тем, что электромотор-генератор и электромотор установлены соосно на валах несущего и рулевого винтов.