Самолет-вертолет Российский патент 2024 года по МПК B64C29/00 B64C27/18 B64C39/10 

Современный боевой опыт показывает огромное значение скоростной маневренной авиации. В то же время здесь выявляются и ее слабые места. Это жесткая привязка к аэродромам базирования, и, конечно в связи с этим, скопление на них авиационных группировок. Заведомо известные места базирования делает авиационные группировки весьма уязвимыми. Поэтому постоянное изменение мест базирования резко повышает живучесть сил и средств. Но современные скоростные самолеты с их прекрасными летными характеристиками требуют качественную инфраструктуру базирования. А обустройство аэродрома это чрезвычайно дорогостоящее удовольствие. Здесь проявляется неприятная зависимость, чем больше посадочная скорость самолета - тем больше аварий и тем дороже эксплуатация аэродрома. И наоборот. Поэтому самолеты с горизонтальными взлетом и посадкой и колесным шасси- самый «проблемный» с точки зрения базирования класс летательных аппаратов, требующий самой дорогой инфраструктуры. А в условиях боевых действий является еще и достаточно уязвимым.

Для обеспечения рассредоточенного базирования боевых самолетов очень хорошо подходят самолеты с вертикальным/коротким взлетом и посадкой - лучше, чем обычные боевые самолеты с горизонтальными взлетом и посадкой. Существуют реальные самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП). Такие как, например, "Харриер" (1), ЯК-141 (2). Это самолеты, способные взлетать и садиться при нулевой горизонтальной скорости, используя тягу двигателя, направленную вертикально. Принципиальным отличием СВВП от различных винтокрылых машин является то, что в режиме горизонтального полета на крейсерской скорости, как и у самолета традиционной схемы, подъемную силу создает неподвижное крыло.

Но оказалось, что недостатки СВВП оказались значительными. Пилотирование этого типа машин весьма сложно для летчика и требует от него высочайшей квалификации в технике пилотирования. Особенно это сказывается в полете на режимах висения и переходных - в моменты перехода из висения в горизонтальный полет и обратно. Также, к недостаткам можно отнести значительно меньшую в сравнении с самолетами обычной схемы грузоподъемность и дальность полета СВВП, большой расход топлива на вертикальных режимах полета, общую сложность и дороговизну конструкции СВВП. (14) Несмотря на это существует современная конструкторская тенденция к отходу от традиционной реактивной схемы в пользу СВВП с винтомоторной группой (чаще - конвертопланов): в частности, к таким машинам относится производящийся серийно в настоящее время Bell V-22 Osprey. (3)

Вне рейтингов останутся абсолютные чемпионы, способные базироваться буквально где угодно, - вертолеты. Но, к сожалению, вертолеты значительно уступают самолетам в скоростных характеристиках и дальности полета. Например, максимальная скорость полета вертолета Ми-24 у земли при весе менее 11200 кг - 335 км/ч, практическая дальность полета в перегоночном варианте - 1 000 км. (4)

"Скорость вертолета ограничена предельными условиями работы лопасти несущего винта вертолета. Конец наступающей лопасти не должен двигаться быстрее звука (рекордный предел - 0,96 М), а та часть отступающей лопасти, что находится ближе к оси воздушного винта, не должна слишком уж резать воздух задней кромкой.

Обычно круговая скорость конца лопасти висящего вертолета равна двум-трем четвертям скорости звука. При горизонтальном движении вертолета скорость обтекания потоком наступающей лопасти складывается из окружной скорости, например, ее конца и скорости вертолета. В это время скорость потока на каждом участке отступающей лопасти равна разности окружной скорости того участка и скорости вертолета." (5)

Т.е. винт, который дает вертолету преимущество для вертикального взлета и посадки, ограничивает скоростные возможности при горизонтальном полете. Но, если винт спрятать в корпус летательного аппарата, то этот недостаток устраняется.

Существует проект беспилотного СВВП BattleHog 100х фирмы American Dynamics США. Летные испытания БПЛА BattleHog 100х прошли в 2006 г. Аппарат мог находиться в воздухе непрерывно до 8 часов. Аппарат может действовать как в режиме вертикального взлета и посадки, так и в режиме обычного самолетного взлета и посадки. Управление летательным аппаратом осуществляется путем изменения скорости вращения и угла наклона подъемного вентилятора с высоким крутящим моментом (High Torque Aerial Lift, HTAL). Его применение, позволило резко уменьшить габариты роторов, "спрятав" их внутрь фюзеляжа. По заверению разработчиков, удалось получить уникальную маневренность аппарата без использования аэродинамических управляющих поверхностей - рулей поворота и элеронов (что также снижает уязвимость) или сложных систем управления вектором тяги. (6)

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому изобретению является безаэродромный самолет БЭЛЛА-1. (8) 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.

Предлагается летательный аппарат (ЛА) вертикального взлета и посадки, представляющий собой летающее крыло (ЛК), в передней верхней части которого располагается кабина пилотов, но возможно и беспилотный вариант. Т.е. использовать как беспилотный летательный аппарат (БПЛА). В центральной верхней части располагается заборное сопло для несущего винта, представляющее собой круговое отверстие и двух турбовентиляторных двигателей (ТРДД) с устройством режима реверса, а в нижней части располагается отверстие для выходного потока несущего винта, сопла управления расположены по краям корпуса в нижней части ЛК и смещены по отношению друг к другу на 90 градусов, отличающийся тем, что содержит ресивер, для усиления подъемной силы несущего винта при взлете и посадке используется поток воздуха вторичного контура ТРДД в режиме реверса, система управления приводится в действие реактивной струей воздуха из компрессоров ТРДД, из которых воздух высокого давления за счет импульсного воздействия вращает несущий винт с помощью сопел, расположенных на концах лопастей несущего винта, и после совершения работы по вращению несущего винта попадает в сопла управления для балансировки ЛА по курсу, обеспечивает поперечную устойчивость, повышает тягу несущего винта в режиме подъема, спуска, горизонтального полета и участвует в аварийном спуске ЛК при отказе двигателей.

Проблемой реактивного винта является сложность втулки. Через нее в подвижную лопасть необходимо подавать сжатый газ. Но использование реактивной тяги для вращения винта уже нашло свое применение, например, на французском вертолете Sud-Ouest S.O.1221 Djinn (7). 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, который разрабатывался в 50-е годы компанией SNCASO, выделялся уникальной силовой установкой. Особенностью было то, что несущий винт приводился в действие сжатым воздухом, подававшимся от турбокомпрессора через лопасти к их кромке, где находились сопла, которые создавали реактивную тягу для вращения винта. Это исключило необходимость в рулевом винте и трансмиссии несущего привода. 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. Но техническую сложность в то время представляло создание узла передачи сжатого воздуха во вращающуюся лопасть с реактивным соплом.

В современных условиях эта проблема решается достаточно просто. Например, на автомобилях повышенной проходимости, устанавливается система регулирования давления воздуха в шинах (РДВШ). На полноприводные автомобили, на бронетранспортерах, где воздух из компрессора подается на вращающееся колесо. (12)

К сожалению, реактивный привод имеет и более важный недостаток. Это, конечно, экономичность. К.п.д. подобной системы довольно маленький, что приводит к высокому и неэффективному расходу топлива. Из-за этого вертолет Sud-Ouest S.O.1221 Djinn 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, L - длина рычага.

Отсюда можно 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=L *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.O.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, мы затратим много энергии. 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 дискретно, 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 r от нее, упрощенная формула имеет вид:

Т.е инерция напрямую зависит от массы и радиуса винта. Но поскольку несущий винт, как правило, имеет значительную массу, то и момент инерции в этом случае тоже значительный. Поэтому ключевым моментом здесь является не аналоговая, а импульсная подача воздуха в сопла несущего винта. Дискретность подачи воздуха в сопла несущего винта можно достичь, например, с помощью компоновки головки подвода воздуха к лопастям виде двух соосных втулок. Как это предлагается в патенте "Система регулирования давления воздуха в шинах транспортного средства". (13)

Узел может изготавливаться в данном случае в виде двух соосных втулок. Внутренняя втулка не вращающаяся с отверстием в боковой стенке. Через нее подается воздух под давлением из компрессоров высокого давления ТРДД. И наружная - вращающаяся с отверстием в месте крепления полых лопастей с выходными соплами на концах. При вращении лопастей, когда отверстия у двух втулок совпадают, воздух под давлением из внутренней втулки попадает в лопасть и выходит через выпускное сопло, создавая импульсную реактивную тягу. При дальнейшем вращении винта стенка вращающейся втулки перекрывает отверстие не вращающейся втулки и вращение винта осуществляется по инерции.

Похоже дискретная подача струи сжатого воздуха в сопло, расположенного на концах винта, может дать существенный экономический эффект и позволит создать прорыв в создании достаточно экономичного ЛА.

Система работает следующим образом.

Управление осуществляется из кабины пилотов 2 Фиг. 1,2. Вначале запускаются 2 ТРДД 5.1 и 5.2 Фиг. 1, Фиг. 2 в реверсном режиме. Забор воздуха для ТРДД осуществляется через заборник 9 Фиг. 1,2. В этом случае из компрессора высокого давления ТРДД 13 фиг. 3 по каналу 6 Фиг. 1,2,3 воздух подается в лопасти несущего винта 3 и выходит из сопла 4 Фиг. 1,2, создавая реактивную тягу. И за счет того, что выход сопла 4 Фиг. 1,2 направлен против вращения несущего винта 3 Фиг. 1,2, то за счет реактивной струи воздуха несущий винт 3 Фиг. 1,2 начинает вращаться, создавая подъемную силу за счет прохождения воздуха по каналу 10 Фиг. 1,2. На Фиг. 3 изображена схема ТРДД. В реверсном режиме клапана 12 Фиг. 3 закрывают выход вторичного контура ТРДД и воздух, нагнетаемый вентилятором 14 Фиг. 3 через канал 11 Фиг. 2,3 попадает в канал 10 Фиг. 1,2 и усиливает подъемную силу ЛК.

..Для управления ЛК используются сопла управления 8 Фиг. 1,2, расположенные в нижней части ЛК по краям корпуса 1 Фиг. 1,2 приблизительно через 90 градусов, которые могут изменять направление потока воздуха. При вращении несущего винта 3 Фиг. 1,2 воздух вылетая из сопел 4 Фиг. 1,2 за счет центробежной силы отбрасывается на внешнюю сторону канала 10 Фиг. 1,2 и попадает в полусферический желоб, расположенный по кругу по всему диаметру внешней стороны канала 10 Фиг. 1,2 по размеру выступающих сопел 4 Фиг. 1,2. В желобе располагаются входы 7 Фиг. 1,2 для сопла управления 8 Фиг. 1,2.…Воздух, вылетая из сопла 8 Фиг. 1,2 осуществляет балансировку ЛА по курсу, обеспечивает поперечную устойчивость, повышает тягу вертолетного винта в режиме подъема, спуска. При изменении направления потока воздуха сопла 8 Фиг. 1,2 повышают тягу при горизонтальном полете. А при отказе сразу обоих двигателей ТРДД обеспечивает аварийный спуск ЛК в случае наличия ресивера (на рисунках не показан). Ресивер может несколько утяжелять конструкцию ЛК. Но, в то же время повышает экономичность расхода воздуха. Очевидно, чем больше емкость ресивера, тем больше будет к.п.д. ЛК. Но, что более важно, при полном отказе сразу двух ТРДД ресивер будет обеспечивать вращение несущего винта и гарантирует безопасную комфортную посадку. В этом случае емкость ресивера должна обеспечить рабочую нагрузку несущего винта на все время аварийного спуска. При наличии ресивера воздух из компрессоров высокого давления ТРДД сначала поступает в него, а затем из ресивера подает в лопасти несущего винта 3 и далее в сопла 4 Фиг. 1,2. В случае отсутствия ресивера при отказе обоих ТРДД используется режим авторотации. Да и сама форма ЛК при аварийном спуске позволяет использовать эффект парашюта.

При наборе определенной высоты снимется режим реверса. Клапана 12 Фиг. 3 открывают канал вторичного контура ТРДД и ЛК переходит в режим горизонтального полета. В этом случае частичный отбор воздуха из компрессора высокого давления продолжается и попадая в сопла 8 Фиг. 1,2 обеспечивает управление ЛК. Кроме того воздух, нагнетаемый несущим винтом, на выходе канала 10 Фиг. 1,2 создает избыточное давление по отношению к проходящему в нижней части ЛК встречному потоку воздуха и создает дополнительную подъемную силу.

В случае пилотируемого варианта на данном ЛК можно использовать автопилот с программой возврата на базу взлета в автоматическом режиме в случае ранения или гибели пилота и невозможности управления. Конструкция ЛК позволяет это сделать более просто, чем на скоростном ЛА, предназначенном для посадки на хорошо оборудуемые аэродромные полосы. Например, еще в 1947 году самолет С-54 ВВС США совершил трансатлантический перелет полностью под управлением автопилота (включая взлет и посадку). (11)

Вывод. Предлагаемое ЛА с вертикальным взлетом и посадкой даст улучшенные характеристики по отношению к вертолетам и более экономичными и более надежными, чем самолеты с вертикальным взлетом и посадкой. В вертолетной схеме Л А отсутствует редуктор и механизм изменения угла наклона несущего винта, что облегчает конструкцию ЛА и, соответственно, увеличивает полезную нагрузку. Данный ЛК является достаточно экономичным в режиме вертикального взлета и зависания, достаточно скоростным в режиме горизонтального полета, малозаметным для радаров и с высокой степенью живучести.

Литература

1. И. Алексеев. Истребители «Харриер». // «Зарубежное военное обозрение», № 1,1980. стр. 63-66;

2. Берне Л. Як-141 - сверхзвуковая «вертикалка» (рус.) // Крылья Родины. - М., 1994. - № 4. -С. 1-4. - ISSN 0130-2701.);

3. Э. Цихош «Сверхзвуковые самолеты» пр. «Самолеты вертикального взлета и посадки». Москва, 1983;

4. Вадим Михеев («МВЗ имени М.Л. Миля 50 лет» М., Любимая книга, 1998, с. 182- 187);

5. Лебедь В.Г. и др. ВЕРТОЛЕТЫ СТРАН МИРА, 1994 г, 225 стр. ;

6. Подзирей Ю.С, "Военное обозрение", Бронетехника. "Возвращение к концепции летающего танка",16 августа 2013;

7. Патент Российской Федерации RU 2 012 511 СТ 1994.05.15;

8. Sud-Ouest SO.1221 "Djirin". Архивная копия от 21 мая 2011 на Wayback Machine

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

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

11. THE NEW YORK TIMES, September 23, 1947 1947 autopilot airplane flight.

12. Полноприводные автомобили КрА3-255Б, KpA3-255B, КрА3-255Л. Устройство, эксплуатация, техническое обслуживание - М., 2001.

13. Патент RU2334623C1 27.09.2008

14. Браун, Кевин. "Самолет, который делает аэродромы устаревшими". Популярная механика, 133 (6), июнь 1970, стр. 80-83.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Летательный аппарат (ЛА) вертикального взлета и посадки представляет собой летающее крыло (ЛК), в передней верхней части которого располагается кабина пилотов. В центральной верхней части располагается заборное сопло, представляющее собой круговое отверстие, для несущего винта и двух турбовентиляторных двигателей (ТРДД) с устройством режима реверса. В нижней части располагается отверстие для выходного потока несущего винта. Сопла управления расположены по краям корпуса в нижней части ЛК и смещены по отношению друг к другу на 90 градусов. ЛА содержит ресивер. Управление ЛА осуществляется реактивной струей воздуха из компрессоров ТРДД, из которых воздух высокого давления за счет импульсного воздействия вращает несущий винт с помощью сопел, расположенных на концах лопастей несущего винта, и после попадает в сопла управления для балансировки ЛА, повышает тягу несущего винта в режиме подъема, спуска, горизонтального полета и участвует в аварийном спуске ЛА при отказе двигателей. Обеспечивается повышение безопасности ЛА с вертикальным взлетом и посадкой. 3 ил.

Летательный аппарат (ЛА) вертикального взлета и посадки, представляющий собой летающее крыло (ЛК), в передней верхней части которого располагается кабина пилотов, в центральной верхней части располагается заборное сопло для несущего винта и двух турбовентиляторных двигателей (ТРДД) с устройством режима реверса, а в нижней части располагается отверстие для выходного потока несущего винта, сопла управления расположены по краям корпуса в нижней части ЛК и смещены по отношению друг к другу на 90 градусов, отличающийся тем, что содержит ресивер, для усиления подъемной силы несущего винта при взлете и посадке используется поток воздуха вторичного контура ТРДД в режиме реверса, система управления приводится в действие реактивной струей воздуха из компрессоров ТРДД, из которых воздух высокого давления за счет импульсного воздействия вращает несущий винт с помощью сопел, расположенных на концах лопастей несущего винта, и после совершения работы по вращению несущего винта попадает в сопла управления для балансировки ЛА по курсу, обеспечивает поперечную устойчивость, повышает тягу несущего винта в режиме подъема, спуска, горизонтального полета и участвует в аварийном спуске ЛК при отказе двигателей.