СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТОЛЕТОМ ПО РЫСКАНИЮ Российский патент 2025 года по МПК B64C27/82 B64C15/14 

Изобретение относится к области вертолетостроения и может применяться при создании конструкций легких и средних вертолетов, в которых используется система компенсации реактивного момента от несущего винта и управления вертолетом по рысканью (NOTAR), что способно заменить классическую систему рулевого винта.

Подавляющее большинство современных вертолетов выполнено по одновинтовой схеме, что приводит к некоторым особенностям конструкции, к которым относится необходимость компенсации реактивного момента от несущего винта. В самом начале развития вертолетостроения исследователи нашли способ компенсации - рулевой винт, который позволил не только компенсировать реактивный момент, но и обеспечил возможность управлять вертолетом в путевом канале. Длительный период времени при проектировании и производстве вертолетов не было никакой альтернативы рулевым винтам, несмотря на то, что около 15% от всех авиационных происшествий, связанных с вертолетами этой схемы, приходится именно на рулевой винт. Большая часть происшествий приходится на удары лопастей рулевого винта о земную поверхность, часть из них связана с неосторожностью или некомпетентностью обслуживающего персонала, попадающего под вращающийся винт.

Известно устройство [патент US4948068A, опубл. 14.08.1990], суть которого заключается в том, что в этой системе воздух низкого давления, подаваемый осевым вентилятором переменного шага, установленным в фюзеляже вертолета, выбрасывается из тонких горизонтальных щелей в правой части хвостовой балки. Струи, создаваемые этим воздушным потоком, повторяют контур хвостовой балки и заставляют балку подниматься вверх, что создает подъемную силу на балке, как и на любом другом аэродинамическом профиле, в направлении, необходимом для противодействия крутящему моменту, создаваемому несущим винтом. Усилие, создаваемое хвостовой балкой управления циркуляцией, дополняется усилием, создаваемым реактивным двигателем, который также создает все усилия при маневрировании по рысканию. Доля силы, создаваемой каждым из этих двух элементов изобретения, зависит от режима полета вертолета. При высокоскоростном поступательном полете след несущего винта тянется за хвостовой балкой, и в результате хвостовая балка практически не создает усилия, а все усилие создается реактивным двигателем. Когда вертолет находится в режиме висения, регулятор циркуляции на хвостовой балке обеспечивает примерно 60% требуемого крутящего момента, в то время как реактивный двигатель обеспечивает балансировку. Хвостовая балка управления циркуляцией создает усилие при относительно низком энергопотреблении по сравнению с реактивным двигателем, а мощность обеспечивается двигателем, который также приводит в движение несущий винт.

Недостатком данной конструкции является то, что направленный в хвостовую балку воздух для компенсации реактивного момента забирается от основного двигателя, служащего для создания тяги несущим винтом (НВ), что на различных этапах полета, в частности таких как, висение, взлет и посадка мощность двигателя может быть недостаточной. Вторым немаловажным недостатком можно считать то, что при подаче воздуха напрямую от двигателя, температура воздуха составляет порядка 250-400°С, что можно считать высоким показателем, а значит, будет необходим обивочный материал для повышения жаропрочности конструкции и защиты внутренней проводки, а это утяжеляет и усложняет конструкцию. И третьим недостатком можно считать отсутствие возможности регулировать объем и давление струи исходящего из сопел потока воздуха. Также к недостаткам такой системы можно отнести увеличение мощности, потребляемой рулевым устройством и значительное повышение вредного сопротивления корпуса вертолета при больших скоростях полета.

Известно сопло газоструйной системы управления [патент RU2607687C1, опубл. 10.01.2017], которое устраняет, как минимум один из установленных недостатков, оно способно регулировать створки сопла с управляемым вектором тяги. Данное устройство состоит из зубчатого сектора управления положением средней створки, рычагов управления боковыми створками, центральной качалки, связанной тягами с рычагами боковых створок. Центральная качалка связана зубчатой передачей с зубчатым сектором средней створки. К такому соплу предъявляются требования, существенно отличающиеся от требований к самолетным соплам с поворотным вектором тяги. Прежде всего, это существенно увеличенный диапазон углов поворота струи от 90° на режиме висения до ~ -40° на режиме авторотации. При этом необходимо обеспечить минимально возможные потери тяги, по крайней мере, на двух основных режимах - висение (угол поворота струи около 90°) и полет с максимальной скоростью (угол около 10° ÷ 20°). Краткое описание конструкции - сопло газоструйной системы управления вертолета, содержащее входной канал, три поворотные створки, механизм управления створками, который состоит из зубчатого сектора управления положением средней створки, рычагов управления боковыми створками, центральной качалки, связанной тягами с рычагами боковых створок, причем центральная качалка связана зубчатой передачей с зубчатым сектором средней створки. Сопло газоструйной системы управления вертолета центральная качалка связана со средней створкой с помощью тросовой передачи. При помощи этого исследования появилась возможность регулировать сопла, тем самым изменять мощность исходящего потока из конкретного сопла и осуществлять поворот летательного аппарата.

Недостатком аналога является невозможность управления вертолетом при возникновении аварийных ситуаций.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении управления соплами напрямую от электродвигателя с сохранением мощности основного двигателя и несущего винта.

Указанный технический результат достигается системой управления вертолетом по рысканию, включающей находящиеся на фюзеляже вертолета под несущим винтом воздухозаборники, воздушный канал, электродвигатель, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, двухступенчатый компрессор, хвостовой канал, заслонку и управляемые сопла, причем воздухосборники выполнены с возможностью подачи подсасываемого из атмосферы воздуха через воздушный канал к двухступенчатому компрессору, соединенному с электродвигателем, и далее к расположенным в хвостовом канале управляемым соплам, регулируемым при помощи заслонки, распределяющей поток воздух между соплами в соотношении 0,7 на 0,3 при крейсерском режиме полета или в соотношении 0,55 на 0,45 при выполнении поворота.

В предлагаемом техническом решении поступающий в хвостовую балку поток воздуха будет подводиться не из двигателя, а напрямую подсасываться из окружающей среды через воздухозаборники. Это позволит использовать охлажденный воздух, а значит не придется нагромождать конструкцию дополнительной жаропрочной прослойкой между внутренней частью балки и ее оболочкой, что в свою очередь облегчит конструкцию и техническое обслуживание. Так как поток воздуха должен быть под определенным давлением, его необходимо сжать. Для сжатия воздуха используется двухступенчатый (для легкого вертолета) авиационный компрессор и электродвигатель, который будет приводить в движение ротор компрессора для нагнетания потока воздуха. Двухступенчатый компрессор является оптимальным вариантом для данной конструкции так, как может достичь нужной степени повышения давления и при этом имеет меньшие габаритные размеры. Внедрение в конструкцию электродвигателя позволит сохранить мощность от редуктора на несущем винте, а необходимую мощность для питания регулируемого нагнетателя и управления соплами получать напрямую.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемой системы управления вертолетом по рысканию, на фиг. 2 - вид сверху в разрезе системы управления вертолетом по рысканию.

Воздух в систему попадает через воздухозаборники 1, установленные на фюзеляже вертолета под несущим винтом, и по воздушному каналу 2 поступает в хвостовую балку к двухступенчатому компрессору 4, который обеспечивает необходимое давление для создания реактивной струи. Привод ротора компрессора осуществляется электродвигателем 3. Воздух под давлением направляется в хвостовую балку по хвостовому каналу 7 и поступает к заслонке 5, а далее через управляемые сопла 6 выходит наружу для компенсации реактивного момента и управления вертолетом в путевом канале.

Предлагаемая система позволяет управлять вертолетом по рысканию за счет воздушных сопел. То есть воздух проходит через воздухозаборники к компрессору, где степень давления воздуха повышается, а после этого направляется к соплам. Через сопла воздух вырывается в окружающую атмосферу под достаточным давлением и с необходимой скоростью. Сопла используются с различным соотношением. Одно из сопел, направленное в сторону противоположную движению несущего винта, больше второго, их отношения при крейсерском режиме полета соотносятся как 0,7 к 0,3. Если же необходимо заставить вертолет повернуть, то есть двигаться по рысканию, прорезь одного сопла с меньшим коэффициентом заполнения увеличивается путем поворота регулируемой заслонки, установленной в воздушном канале. Тогда их соотношение будет изменено до 0,55 к 0,45 соответственно. При данном распределении потока воздуха будет осуществлен поворот со скоростью, которая находится в допустимых пределах по максимально разрешенной угловой скорости для легких одновинтовых вертолетов.

К положительным сторонам предлагаемого изобретения можно отнести:

- отсутствие рулевого винта, что упрощает техническое обслуживание и приводит к сокращению полученных травм в рабочем процессе у обслуживающего персонала;

- сокращение массовой доли хвостового винта, а значит и уменьшение нагрузки на растяжение-сжатие;

- из-за отсутствия рулевого винта сокращается биение конструкции, за счёт чего повышается срок эксплуатации хвостовой балки и сопутствующих ей элементов (лючки, датчики и пр.);

- при возникновении аварийной ситуации, когда не работают двигатели и, соответственно, главный редуктор, в предлагаемом техническом решении не стоит опасаться того, что вертолет потеряет управление по причине потери возможности компенсации крутящего момента, так как установленный электродвигатель будет обеспечивать работу струйной системы.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает управление соплами напрямую от электродвигателя с сохранением мощности основного двигателя и несущего винта.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям систем компенсации реактивного момента несущего винта и управления вертолетом по рысканию. Система управления вертолетом по рысканию включает находящиеся на фюзеляже вертолета под несущим винтом воздухозаборники, воздушный канал, электродвигатель, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, двухступенчатый компрессор, хвостовой канал, заслонку и управляемые сопла. Воздухосборники выполнены с возможностью подачи подсасываемого из атмосферы воздуха через воздушный канал к двухступенчатому компрессору, соединенному с электродвигателем, и далее к расположенным в хвостовом канале управляемым соплам, регулируемым при помощи заслонки. Поток воздуха между соплами распределяется в соотношении 0,7 к 0,3 при крейсерском режиме полета или в соотношении 0,55 к 0,45 при выполнении поворота. Обеспечивается управление соплами напрямую от электродвигателя с сохранением мощности основного двигателя и несущего винта. 2 ил.

Система управления вертолетом по рысканию, включающая находящиеся на фюзеляже вертолета под несущим винтом воздухозаборники, воздушный канал, электродвигатель, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, двухступенчатый компрессор, хвостовой канал, заслонку и управляемые сопла, причем воздухозаборники выполнены с возможностью подачи подсасываемого из атмосферы воздуха через воздушный канал к двухступенчатому компрессору, соединенному с электродвигателем, и далее к расположенным в хвостовом канале управляемым соплам, регулируемым при помощи заслонки, распределяющей поток воздух между соплами в соотношении 0,7 к 0,3 при крейсерском режиме полета или в соотношении 0,55 к 0,45 при выполнении поворота.