СПОСОБ РАБОТЫ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2025 года по МПК B64C27/12 B64C27/08 F02B71/04 

Изобретение относится к области авиации, в частности к способам работы силовых установок многовинтовых летательных аппаратов, и может быть использовано для создания эффективных летательных аппаратов (ЛА), в том числе с вертикальным взлетом и посадкой, как пилотируемых, так и беспилотных, с целью применения в гражданской и военной области.

Широко известны так называемые «дроны», в частности мультикоптеры - многовинтовые беспилотные или пилотируемые ЛА (например, на https://www.suasnews.com/2023/11/malloy-aeronautics-t-650/, https://en.wikipedia.org/wiki/EHang). Подъемная сила в таких ЛА создается за счет нескольких, как минимум трех, воздушных винтов постоянного шага, приводимых во вращение электродвигателями. Силовое питание электродвигателей осуществляется от аккумуляторной батареи, расположенной на борту ЛА. Таким образом, электрическая энергия, запасенная в аккумуляторной батарее, преобразуется электродвигателями в механическую энергию вращения винтов, создающих подъемную силу ЛА. В таком случае энергоемкость батареи, а также ее вес, равно как и суммарный вес электродвигателей, ограничивают максимальную длительность полета до 20-30 минут и полезную нагрузку ЛА, которые являются недостаточными для большинства применений вследствие относительно невысокой энергоемкости электрических батарей.

Известна гибридная силовая установка летательного аппарата (патент RU 2727287, МПК B64D 33/00, опубл. 21.07.2020 г.), которая включает двигатель внутреннего сгорания с системой его автоматического управления, систему подачи топлива, электродвигатели, общее число которых соответствует количеству винтовых движителей, систему управления силовой установкой, основную электрическую сеть постоянного тока, блок генерирования электрической энергии, блок аккумулирования электрической энергии, соединенные определенным образом. Электродвигатель содержит модуль управления и кинематически связан с одним из винтовых движителей. Блок генерирования электрической энергии содержит электрический генератор, кинематически связанный с двигателем внутреннего сгорания, выпрямитель. Блок аккумулирования содержит не менее двух блоков аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, и устройство контроля блоков аккумуляторных батарей.

Известен способ работы силовой установки беспилотного ЛА с вертикальным взлетом и посадкой, описанный в статье (Использование гибридной силовой установки в мультикоптерах, Ткачева В.Р. / В.Р. Ткачева. - Текст: непосредственный // Молодой ученый. - 2015. - №24 (104). - С. 146-149. - URL: https://moluch.ru/archive/104/24274/).

Химическая энергия углеводородного топлива в упомянутых силовых установках преобразуется посредством двигателя внутреннего сгорания в механическую работу выходного вала, который приводит в действие электрический генератор. При таком способе работы силовой установки можно достигать большей длительности полета и иметь большую полезную нагрузку вследствие того, что энергоемкость углеводородного топлива существенно выше энергоемкости сегодняшних аккумуляторов (примерно в 50-60 раз). Однако при таком способе проблему составляет значительный вес двигателя внутреннего сгорания, значительный вес низкооборотного электрогенератора и силовой электроники, а также большой вес мощных электродвигателей. Это все ограничивает возможность создания ЛА с полезной нагрузкой более 50-100 кг с приемлемой длительностью полета.

Известны ЛА с гибридными силовыми установки, содержащими гидросистему, например, квадрокоптер (патент RU 2732305, МПК B64D 35/04, опубл. 15.09.2020 г.), который содержит маршевый двигатель внутреннего сгорания, четыре несущих винта с фиксированным шагом лопастей и гидравлический привод несущих винтов, передающий энергию от двигателя к несущим винтам. Привод содержит гидравлический контур, в который входит гидронасос, подающий рабочую жидкость на вход исполнительного гидромотора, выход из которого по сливной магистрали низкого давления связан с входом гидронасоса. Гидравлический привод содержит два тандема шестеренчатых гидронасосов, имеющих прямой привод без редукции от двигателя. Каждый из тандема гидронасосов имеет по два независимых входа и выхода, питает два исполнительных гидромотора. Перед каждым входом гидронасоса в сливной магистрали низкого давления установлен регулятор расхода рабочей жидкости.

Известен многовинтовой летательный аппарат (патент CN 105151284 A, МПК B64C27/08, опубл. 16.12.2015 г.), который содержит маршевый двигатель внутреннего сгорания, приводящий нагнетательный регулируемый гидравлический насос, который подает рабочую жидкость под высоким давлением по трубопроводам на регулируемые гидравлические двигатели, приводящие во вращение несущие винты с фиксированным шагом, и сливную магистраль низкого давления с воздушно-масляным теплообменным аппаратом.

Недостатками указанных аналогов являются: значительный вес двигателя внутреннего сгорания, а также значительный вес силовой гидросистемы, включающей регулируемый гидронасос, магистрали с рабочей жидкостью под высоким давлением, приводные гидромоторы.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является создание силовой установки летательного аппарата, имеющей простую конструкцию и меньший вес по сравнению с известными силовыми установками ЛА, с повышением времени полета ЛА свыше 2-3 часов и увеличением полезной нагрузки до 500 кг.

Технический результат - увеличение полезной нагрузки и дальности полета летательного аппарата за счет уменьшения массогабаритных показателей силовой установки и повышения ее экономичности.

Проблема решается, а технический результат достигается заявляемым способом работы гибридной силовой установки многовинтового летательного аппарата, характеризующимся тем, что химическую энергию углеводородного топлива преобразуют в энергию сжатого воздуха в тепловой машине - свободнопоршневом дизель-компрессоре, а сжатый воздух аккумулируют в ресивере, после чего направляют его по минимум одному воздуховоду через минимум одно регулируемое дроссельное устройство к минимум одному пневматическому мотору для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую работу вращения воздушных винтов, создающих подъемную силу летательного аппарата, где пневматический мотор является шестеренным шевронного типа, причем пневматический мотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт.

Технический результат достигается также гибридной силовой установкой многовинтового летательного аппарата, включающей симметричный одноступенчатый свободнопоршневой дизель-компрессор, работающий на углеводородном топливе, выход которого соединен с воздушным ресивером, при этом к ресиверу присоединен минимум один воздуховод с регулируемой дроссельной заслонкой, выход которой соединен с шестеренным пневматическим мотором шевронного типа, причем пневматический мотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт.

Технический результат достигается вследствие заявляемого способа работы и ниже представленных конструктивных особенностей компонентов заявляемой силовой установки за счет следующего.

Использование свободнопоршневого дизель-компрессора (свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания) в качестве тепловой машины позволяет преобразовать химическую энергию топлива непосредственно в энергию сжатого воздуха без промежуточного преобразования в механическую энергию и без использования дополнительного компрессора. Конструктивно СПДК имеет в основном две движущиеся детали - поршни, что позволяет выполнить такой двигатель компактным, легким и надежным. Практическая реализация таких ДВС отличается значительной простотой вследствие отсутствия кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. Кроме того, СПДК имеет уникальные термодинамические характеристики - высокий КПД цикла, достигающего 45-50% и принципиальную возможность использования различных топлив (например: Вейраух А.Н., Давыдов В.С., Дмитриевский В.А. Свободнопоршневые компрессоры. Под. ред. канд. техн. наук Дмитриевского В.А. Издательство ЛПИ им. М.И. Калинина, Ленинград, 1977, С. 62). Использование СПДК в установке позволит уменьшить массогабаритные показатели силовой установки вследствие конструктивных особенностей СПДК, а также повысить экономичность силовой установки вследствие высокого КПД цикла, достигающего 45-50%.

Использование в составе силовой установки ресивера позволяет реализовать преимущество так называемых гибридных силовых установок, состоящее в возможности вырабатывать энергию сжатого воздуха при оптимальном режиме работы ДВС и накапливать ее. Расходование энергии сжатого воздуха в такой установке осуществляется по мере необходимости, что повышает эффективность силовой установки в целом. Кроме того, ресивер может быть изготовлен из композитных материалов, что снижает вес.

Преимущество от использования пневматических двигателей (пневмомоторов) для привода воздушных винтов летательного аппарата состоит в том, что оптимальные значения частоты вращения воздушных винтов и пневмодвигателей практически совпадают и составляют примерно 2000-4000 об/мин. Это позволяет присоединять воздушные винты непосредственно к роторам пневмомоторов, исключая необходимость использования механических редукторов частоты вращения, следовательно, можно уменьшить вес винтомоторной группы. Кроме того, конструктивно пневмомотор значительно проще электродвигателя и, по оценкам специалистов, имеет значительно меньший вес и габариты, чем аналогичный по мощности электромотор (примерно в 3-5 раз). Немаловажно также, что роторы пневмомотора могут быть изготовлены из композиционных материалов и пластиков, что позволяет их выполнить более легкими и более дешевыми, чем электродвигатели. Следует также отметить простоту регулирования мощности и частоты вращения пневмомоторов за счет изменения давления и количества подаваемого сжатого воздуха.

Способ работы гибридной силовой установки подразумевает использование рабочего тела - воздуха, который окружает летательный аппарат, в результате чего его не требуется запасать и хранить на борту ЛА, что также снижает вес силовой установки.

Воздуховоды являются силовыми элементами и дополнительно выполняют функцию держателя винтомоторной группы, через которые передается подъемная сила на летательный аппарат.

Сущность изобретения поясняют иллюстрации, где:

На фиг. 1 - показана схема работы заявляемой силовой установки ЛА для частного случая выполнения последней;

На фиг. 2 - частный случай выполнения заявляемой гибридной силовой установки.

На фигурах показано:

1 - цилиндр дизеля СПДК;

2 - поршень дизеля СПДК;

3 - самодействующий нагнетательный клапан продувочного насоса 9;

4 - самодействующий всасывающий клапан продувочного насоса 9;

5 - поршень компрессора СПДК;

6 - всасывающий клапан компрессора СПДК;

7 - цилиндр компрессора СПДК;

8 - нагнетательный клапан компрессора СПДК;

9 - продувочный насос;

10 - выпускные окна дизеля СПДК;

11 - внутренний ресивер СПДК;

12 - выходной ресивер СПДК;

13 - продувочные окна дизеля СПДК;

14 - топливная форсунка;

15 - ресивер - аккумулятор сжатого воздуха;

16 - воздуховод;

17 - регулируемая дроссельная заслонка;

18 - воздушные винты;

19 - пневматический двигатель (пневмомотор);

20 - топливный бак;

21 - топливный насос;

22 - электронный блок управления;

23 - датчик положения поршня;

24 - клапан перепуска системы синхронизации поршней;

25 - выхлопной коллектор.

Способ работы гибридной силовой установки предполагает преобразование химической энергии топлива в энергию сжатого воздуха в тепловой машине - свободнопоршневом дизель-компрессоре (СПДК), являющимся свободнопоршневым двигателем внутреннего сгорания (например, на https://en.wikipedia.org/wiki/Free-piston_engine). Сжатый воздух накапливают в ресивере при давлении примерно 10...15 бар и направляют по воздуховодам через регулируемые дроссельные устройства к пневматическим моторам. Пневматические моторы преобразуют энергию сжатого воздуха в механическую работу вращения воздушных винтов, создающих тягу (подъемную силу ЛА).

Конкретный пример осуществления заявляемого способа работы показан в устройстве силовой установки беспилотного летательного аппарата (БПЛА). В данном частном случае выполнения, не ограничивающем объем охраны, установка (фиг. 2) содержит:

симметричный одноступенчатый свободнопоршневой дизель-компрессор (СПДК), работающий на углеводородном топливе. Практическая реализация указанного СПДК может быть выполнена следующим, но не единственным, образом. СПДК включает: общий цилиндр 1 дизеля с продувочными окнами 13 и выпускными окнами 10 с размещенными в нем двумя поршнями 2, два цилиндра 7 компрессора с двумя поршнями 5, всасывающими клапанами 6 и нагнетательными клапанами 8, при этом цилиндр дизеля и цилиндры компрессора расположены соосно, а поршни дизеля и компрессора попарно кинематически связаны, а выпускные окна 10 присоединены к выхлопному коллектору 25. Также СПДК включает продувочный насос 9 с самодействующими нагнетательными клапанами 3 и самодействующими всасывающими клапанами 4, внутренний ресивер 11 и выходной ресивер 12 , соединенный с ресивером-аккумулятором 15 сжатого воздуха. СПДК также может содержать пневматическую систему синхронизации движения поршней 2, включающую датчики 23 положения поршней и перепускные клапаны 24, управляемые от электронного блока управления 22. К электронному блоку управления 22 присоединены датчики 23 положения поршней, электронные ключи управления топливным насосом 21, топливной форсункой 14, перепускными клапанами 24, приводами регулирующих дроссельных заслонок 17.

Выход СПДК соединен с ресивером 15, при этом к ресиверу присоединены не менее трех воздуховодов 16 с регулируемыми дроссельными заслонками 17, установленными в воздуховодах, выходы заслонок соединены с шестеренными пневмомоторами 19 шевронного типа, причем каждый пневмомотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт 18, при этом воздуховоды 16 консольно прикреплены к фюзеляжу ЛА.

Кроме того, установка включает топливный бак 20, соединенный с топливным насосом 21, выход которого соединен с топливной форсункой 14 для впрыскивания топлива в СПДК. Для управления работой силовой установки предусмотрен электронный блок управления 22, управляющий как работой СПДК, так и эволюциями летательного аппарата, путем управления частотой вращения воздушных винтов за счет изменения положения регулируемых дроссельных заслонок, установленных в воздуховодах.

Общеизвестно, что увеличение расхода воздуха в пневмомотор приводит к увеличению частоты вращения его ротора и связанного с ним воздушного винта, что вызывает увеличение силы его тяги. Это позволяет, управляя от электронного блока положением регулирующей дроссельной заслонки, управлять тягой отдельных воздушных винтов. При этом изменяется величина и направление суммарного вектора тяги, что позволяет осуществлять взлет, посадку и повороты относительно всех осей ЛА.

Описанное устройство работает следующим образом.

Поршни в процессе работы СПДК двигаются оппозитно и могут занимать положение так называемой внутренней “мертвой” точки, когда они максимально сведены в центре цилиндра, а также наружных “мертвых” точек, когда они максимально разведены.

Для запуска установки поршни 2 дизеля СПДК и присоединенные к ним поршни 5 компрессора СПДК разводятся и устанавливаются в пусковое положение (например, подачей пускового воздуха в полость нагнетательного насоса 9). В цилиндры 7 компрессора подается пусковой воздух. Под воздействием давления пускового воздуха поршни двигаются навстречу к внутренней “мертвой” точке, при этом перекрываются продувочные и выпускные окна 13, 10 дизеля СПДК. Оставшийся в цилиндре 1 дизеля воздух сжимается, и его температура повышается. При подходе к наружной или верхней “мертвой” точке под воздействием блока управления 22 через форсунку 14 впрыскивается топливо, и происходит его самовоспламенение. Вследствие сильного увеличения давления газов поршни 2 и 5 останавливаются и начинают двигаться в обратном направлении к наружным “мертвым” точкам. При этом происходит расширение продуктов сгорания, и при открытии продувочных и выпускных окон 13 и 10 происходит продувка цилиндра 1 и наполнение его свежим воздухом. В компрессоре 7 СПДК происходит сжатие и нагнетание воздуха через самодействующие нагнетательные клапаны 8 в ресивер 11 и далее в ресивер - аккумулятор сжатого воздуха 15, одновременно в продувочном насосе 9 происходит всасывание воздуха через клапаны 4. Оставшийся в «мертвых» пространствах компрессора воздух после остановки поршней в наружных «мертвых» точках расширяется и заставляет поршни двигаться к центру машины. Цикл повторяется. При движении поршней к центру машины в компрессоре происходит всасывание свежего воздуха через всасывающие клапаны 6, а в продувочном насосе 9 происходит сжатие и нагнетание воздуха в ресивер 11 во внутреннюю полость СПДК.

Из ресивера - аккумулятора 15 сжатый воздух через воздуховоды 16 поступает к дроссельным заслонкам 17, которые управляются командами от электронного блока управления 22. Воздуховоды 16 консольно прикреплены к фюзеляжу, являются силовыми элементами и дополнительно выполняют функцию держателя винтомоторной группы, через которые передается подъемная сила на летательный аппарат. Далее воздух поступает в шестеренные пневмомоторы 19, которые могут быть шевронного типа. Пневмомоторы (пневматические двигатели) могут быть также роторного (шестеренного, коловратного, винтового) типа по ГОСТ 17752-81. Роторы пневмомоторов синхронно вращаются в разные стороны и приводят во вращение присоединенные к роторам соосные воздушные винты 18, создающие тягу.

Электронный блок управления содержит программы, управляющие силовой установкой ЛА. Основные функции системы управления - это обеспечение пуска и работы СПДК, т.е. управление топливным насосом 21, топливной форсункой 14, клапанами перепуска 24 для обеспечения синхронного движения поршней на основании задания режима работы СПДК и текущих показаний датчиков 23 положения поршней. Кроме того, электронный блок управления контролирует частоту вращения всех винтов за счет изменения положения дроссельных заслонок 17. При этом регулируется подача воздуха к пневмомоторам 19 и, соответственно, частота вращения винтов 18. Таким образом, осуществляется управление величиной и направлением вектора суммарной тяги, и, соответственно, эволюциями многовинтового летательного аппарата с винтами постоянного шага.

Изобретение может найти применение в гражданской авиации для ЛА, применяемых в качестве, например, аэротакси, для срочной доставки грузов, санитарной авиации, для аэрообработки растений и борьбы с сорняками и вредителями, а также ЛА с описанными силовыми установками могут применяться как авиация поля боя (БПЛА), использоваться для доставки боекомплектов и эвакуации раненых, выполнять морскую разведку, применяться в борьбе с минами и в противолодочной борьбе и т.д.

Изобретение относится к области авиации, в частности к способам работы силовых установок многовинтовых летательных аппаратов, и может быть использовано для создания эффективных летательных аппаратов (ЛА), в том числе с вертикальным взлетом и посадкой, как пилотируемых, так и беспилотных, с целью применения в гражданской и военной области. Способ работы гибридной силовой установки многовинтового летательного аппарата характеризуется тем, что химическую энергию углеводородного топлива преобразуют в энергию сжатого воздуха в тепловой машине - свободнопоршневом дизель-компрессоре, а сжатый воздух аккумулируют в ресивере, после чего направляют его по минимум одному воздуховоду через минимум одно регулируемое дроссельное устройство к минимум одному пневматическому мотору для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую работу вращения воздушных винтов, создающих подъемную силу летательного аппарата. Гибридная силовая установка многовинтового летательного аппарата включает симметричный одноступенчатый свободнопоршневой дизель-компрессор, работающий на углеводородном топливе, выход которого соединен с воздушным ресивером, при этом к ресиверу присоединен минимум один воздуховод с регулируемой дроссельной заслонкой, выход которой соединен с шестеренным пневмомотором шевронного типа, причем пневмомотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт. Достигается увеличение полезной нагрузки и дальности полета летательного аппарата за счет уменьшения массогабаритных показателей силовой установки и повышения ее экономичности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы гибридной силовой установки многовинтового летательного аппарата, характеризующийся тем, что химическую энергию углеводородного топлива преобразуют в энергию сжатого воздуха в тепловой машине - свободнопоршневом дизель-компрессоре, а сжатый воздух аккумулируют в ресивере, после чего направляют его по минимум одному воздуховоду через минимум одно регулируемое дроссельное устройство к минимум одному пневматическому мотору для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую работу вращения воздушных винтов, создающих подъемную силу летательного аппарата, где пневматический мотор является шестеренным шевронного типа, причем пневматический мотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт.

2. Гибридная силовая установка многовинтового летательного аппарата, включающая симметричный одноступенчатый свободнопоршневой дизель-компрессор, работающий на углеводородном топливе, выход которого соединен с воздушным ресивером, при этом к ресиверу присоединен минимум один воздуховод с регулируемой дроссельной заслонкой, выход которой соединен с шестеренным пневматическим мотором шевронного типа, причем пневматический мотор включает два ротора, вращающиеся в противоположные стороны, а к каждому ротору присоединен воздушный винт.