EA021156B1 - Вертолет с соосными винтами противоположного вращения без циклического изменения шага, оснащенный средствами аэродинамического контроля положения и траектории полета - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к летательному аппарату с предпочтительно соосными несущими винтами противоположного вращения, в совокупности содержащему средства для изменения общего шага, то есть для одновременного и равного изменения угла атаки всех лопастей указанных винтов; а также средства управления положением и направлением полета, создающие соответствующие аэродинамические силы посредством воздушного потока от несущих винтов и, таким образом, исключающие необходимость использования средств для изменения циклического шага лопастей винтов.

Description

В области вертолетостроения известна схема с соосными винтами противоположного вращения, выполненными отдельно и соосно друг другу, которая предшествовала одновинтовой схеме с воздушным винтом, предназначенным для уравновешивания реактивного момента несущего винта и размещенным сзади на специальной опорной или хвостовой балке.

Известно также, что впоследствии указанная одновинтовая схема получила широкое распространение и до сих пор является преобладающей по количеству произведенных образцов, несмотря на то, что схема с соосными винтами имеет значительные преимущества по сравнению с одновинтовой схемой. В частности, она обеспечивает большую аэродинамическую эффективность, меньшие помехи в горизонтальной плоскости зоны винта, и большую маневренность машины. В действительности, существуют определенные недостатки, препятствующие распространению схемы с винтами противоположного вращения и, в частности, схемы с соосными винтами.

Одним из главных недостатков соосных винтов противоположного вращения, известных из уровня техники, является значительная сложность элементов винта, предназначенных для управления лопастями, в частности, для передачи изменений циклического управления шагом на два винта, а также необходимость, в случае отсутствия рулевого винта, обеспечить управление вращением машины вокруг вертикальной оси с помощью приспособлений, позволяющих изменять тягу одного несущего винта относительно тяги другого несущего винта. Указанные приспособления чрезвычайно трудоемки и сложны, так как они предназначены для разделения скорости вращения и/или угла атаки и/или аэродинамического сопротивления лопастей одного винта относительно лопастей другого винта.

Одна из основных задач настоящего изобретения, которое коренным образом опровергает традиционный концептуальный подход к работе вертолета, заключается в устранении описанных выше недостатков путем исключения указанных негативных факторов, максимального упрощения конструкции машины, увеличения механической и эксплуатационной надежности машины за счет упрощения конструкции подвижных элементов и значительного снижения механических и аэродинамических нагрузок, действующих на машину, а также устранения критических аспектов определенных маневров, что будет более подробно раскрыто далее.

Следует отметить, что в текущем уровне техники в области вертолетостроения, неизменно применяется философия, согласно которой систему винтов используют для создания одновременно всех сил, необходимых для удержания машины в полете и обеспечения ее смещения в любом необходимом направлении.

В настоящее время последняя из указанных функций обеспечивается посредством известной системы циклического изменения шага лопастей. Для этого лопасти винта следует изготавливать таким образом, чтобы они имели легкую конструкцию, обеспечивающую возможность быстрого изменения их шага на каждом повороте винта, в частности, при поступательном движении машины, в результате, лопасти испытывают то, что можно назвать не иначе, как вибрационное истязание, продольное и скручивающее. В течение уже нескольких лет предпринимаются попытки устранить указанное непрерывное механическое напряжение, действующее на лопасти винта, путем создания на каждой лопасти небольших ребер активной компенсации, автоматическое перемещение которых приводит к уменьшению вибраций за счет приложения аэродинамических усилий, локализованных в соответствующих точках вдоль задней кромки самих лопастей. Однако очевидно, что это средство также приводит к дополнительному усложнению конструкции лопастей из-за необходимости установки дополнительных датчиков и исполнительных механизмов для получения по меньшей мере части требуемых результатов.

Еще один известный недостаток состоит в специфическом шуме, создаваемом при циклическом изменении шага при быстром поступательном полете вертолета, в частности, в населенных пунктах и на низких высотах, в дополнение к значительным и опасным вибрациям, передаваемым на конструкцию машины и ощущаемым также пилотом и пассажирами.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить все описанные выше недостатки известных технических решений.

В рамках настоящего изобретения указанные задачи решены за счет применения инновационного технического решения, в котором система винтов выполняет исключительно единственную функцию поддержания летательного аппарата, тогда как функцию создания сил, вызывающих поступательное перемещение в любом направлении, и функцию управления указанными силами осуществляют исключительно некоторые направляющие поверхности, именуемые далее элероны, прикрепляемые к основе фюзеляжа и перемещаемые пилотом небольшими и медленными координированными движениями. Согласно изобретению система винтов предпочтительно содержит два соосных винта противоположного вращения, оснащенных исключительно средствами управления общим шагом и не оснащенные средствами управления циклическим шагом.

Настоящее изобретение станет более понятным из приведенного далее подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие исключительно в качестве неограничивающего примера предпочтительный вариант его осуществления.

На чертежах изображено следующее.

На фиг. 1 представлен общий вид вертолета в соответствии с возможным вариантом осуществления

- 1 021156 настоящего изобретения.

На фиг. 2 показано взаимное расположение трех управляющих элементов с инновационными кинематическими цепями привода и их возможное положение внутри фюзеляжа.

На фиг. 3 детально изображена конструкция, соответствующая указанным управляющим элементам.

На фиг 4 подробно показана кинематическая цепь, начинающаяся от рычага управления общим шагом, установленного в удобном положении слева от пилота, который перемещает его левой рукой, и завершающаяся упрощенной втулкой винта, регулирующей угол атаки всех лопастей.

На фиг 5 подробно показана цепь управления, которую контролирует ручка управления, размещенная в удобном положении перед пилотом, который, как правило, перемещает ее правой рукой.

На фиг 6 в масштабе изображены некоторые основные механические элементы, расположенные вблизи ручки управления, получающие и преобразующие движения ручки для их корректной передачи на два задних элерона.

На фиг 7 проиллюстрирована связь между перемещением ручки управления вперед (выполненным пилотом) и соответствующим положением, принимаемым двумя задними элеронами.

На фиг. 8 по аналогии с фиг. 7 показана связь между перемещением ручки управления назад (выполненным пилотом) и соответствующим положением, принимаемым двумя задними элеронами;

На фиг 9 проиллюстрирована связь между перемещением ручки управления вправо (выполненным пилотом) и соответствующим положением, принимаемым двумя задними элеронами.

На фиг 10 показана связь между перемещением ручки управления влево (выполненным пилотом) и соответствующим положением, принимаемым двумя задними элеронами.

На фиг 11 изображен механизм работы педалей или руля направления, расположенных в удобном положении внизу перед пилотом, который обычно управляет педалями ногами для контроля положения переднего элерона.

В соответствии с одним из отличительных признаков настоящего изобретения соосные винты противоположного вращения не подвержены циклическому изменению шага. Таким образом, можно увеличить жесткость конструкции лопастей до максимума, допускаемого применяемыми при их производстве технологическими и конструктивными процессами, и более того, можно оснастить указанные лопасти дополнительными концевыми массами, которые помимо обеспечения винтам дополнительной жесткости за счет центробежной силы, развиваемой при вращении, позволяют винтам накапливать большее количество кинетической энергии, что является весьма полезным при возникновении возможных критических условий полета и, в частности, при маневрировании в режиме авторотации.

В настоящем изобретении предпочтительно предусмотрено по меньшей мере три указанные выше управляющие поверхности или элерона (фиг. 1). В частности, два элерона 2 и 3 расположены в задней части фюзеляжа, симметрично относительно продольной оси машины, причем их соответствующие оси вращения лежат в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести летательного аппарата. Пилот управляет движением указанных элеронов, используя известную из уровня техники ручку 8 управления, которая согласно настоящему изобретению выполняет только данную функцию.

Третий элерон 1, напротив, расположен в носовой части фюзелажа, в частности, на продольной оси вертолета. Он также имеет собственную ось вращения, лежащую в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести машины. В действие его приводит пилот, используя педали 10-11, которые согласно настоящему изобретению выполняют только указанную конкретную функцию.

Кроме того, в задачи пилота входит также приведение в действие рычага 9 управления общим шагом, который показан на фиг. 2 и 3 в аксонометрии вместе со всеми имеющимися в машине кинематическими цепями управления ее пространственным положением. В соответствии с настоящим изобретением указанный рычаг управления общим шагом выполняет исключительно функцию одновременного и равного изменения угла атаки лопастей обоих винтов.

Как станет очевидно из приведенного ниже описания, данная функция, по существу, аналогична функции, выполняемой во всех известных из уровня техники вертолетах. Однако в настоящем изобретении ее выполнение в значительной степени упрощено.

Все остальные элементы вертолета, такие как двигатель, трансмиссия и разъединительная цепь, предусмотренная между двигателем и валами для управления винтами, а также цепь шестерен редуктора, меняющая, как правило, направление вращения соосных валов, известны из уровня техники и обладают свойствами, характерными для известных вертолетов с двумя соосными винтами противоположного вращения.

В соответствии с настоящим изобретением три управляющих действия, передающихся, например, на ручку 8, рычаг 9 и педали 10-11, по существу, соответствуют управляющим действиям, представленным на современных вертолетах и хорошо знакомым любому пилоту, однако они регулируют работу элементов, отличных от известных.

Далее при детальном описании конструкции и функционирования каждого из новых управляющих элементов, предусмотренных в настоящем изобретении, также будет пояснен обеспечиваемый ими аэродинамический эффект.

- 2 021156

На фиг. 1 показаны основные и характерные только для настоящего изобретения элементы летательного аппарата, среди которых в первую очередь следует отметить три элерона, расположенных у основания машины в горизонтальной плоскости, параллельной фиксированной плоскости вращения винтов и проходящей через центр тяжести машины. В условиях установившегося полета в фиксированной точке хорда крыла указанных элеронов параллельна оси вращения винтов или, иными словами, перпендикулярна плоскости их вращения. Элерон, расположенный в носовой части фюзеляжа, называется передним элероном 1. Два элерона, расположенных симметрично в хвостовой части, называются соответственно правым элероном 2 и левым элероном 3. На фиг. 1 также изображены верхний винт 4 и нижний винт 5, установленные на двух различных соосных валах противоположного вращения. Более того, на фиг. 1 показано, что на конце каждой лопасти винтов расположено тяжелое аэродинамическое тело 6, функция которого заключается в дополнительном увеличении жесткости соответствующей лопасти за счет центробежной силы, развиваемой при вращении. Кроме того, указанное тело 6 способствует существенному увеличению момента инерции всей системы винтов, что позволяет указанной системе накапливать значительное количество кинетической энергии, в частности, во время вращения при наличии тяги со стороны двигателя или двигателей.

Следует также отметить, что использование в описываемом техническом решении указанных тяжелых концевых тел 6, несмотря на их известность из уровня техники, весьма эффективно, причем их легко изготовить. В частности, это возможно благодаря тому, что не происходит постоянного изменения угла атаки лопастей, осуществляемого за счет управления циклическим шагом винта, которое в настоящем изобретении не предусмотрено. Согласно настоящему изобретению узел, управляющий системой винтов и схематично показанный на фиг. 3, по существу, содержит две вращающиеся, но не колеблющиеся пластины, функция которых будет подробно раскрыта далее. Указанный узел начинается от рычага 9 управления общим шагом и доходит до втулки винта. На фиг. 3 также показана кинематическая цепь основной ручки 8 управления, причем указанная цепь начинается от ручки 8 управления и выполнена с возможностью синхронного управления наклоном двух задних элеронов, правого элерона 2 и левого элерона 3.

Кроме того, на фиг. 3 изображены педали, расположенные перед пилотом, обращенным к носовой части машины. Воздействуя на правую педаль 10 и левую педаль 11, пилот меняет наклон переднего элерона 1.

Фиг. 4 позволяет подробно изучить кинематическую цепь рычага управления общим шагом, которая может быть прямой, как показано на чертеже, или с предусмотренным сервоприводом известного типа. Указанный сервопривод используют при необходимости для уменьшения прикладываемых пилотом усилий. Указанная кинематическая цепь начинается от рычага 9 управления общим шагом, расположенного, как правило, слева от пилота, который перемещает его вверх или вниз. На фиг. 4 рычаг 9 изображен в нейтральном положении, то есть в положении, при котором все лопасти винтов одновременно установлены на геометрически нулевой угол атаки относительно плоскости вращения каждого винта так, чтобы, когда машина находилась на земле, поддерживающая сила не возникала.

Анализируя работу кинематической цепи рычага управления общим шагом, можно заметить, что рычаг 12, неподвижно закрепленный относительно рычага 9, позволяет перемещать рулевую тягу 13. Указанная тяга 13 приводит во вращение прямоугольный рычаг трансмиссии или Ь-образный рычаг 15, выполненный с возможностью вращения на оси 16 и управляющий шарнирной рулевой тягой 17. Рулевая тяга 17 за счет осевого перемещения вверх или вниз, вызываемого рычагом 9 управления общим шагом, управляет перемещением контрольной втулки 18 вверх или вниз. Контрольная втулка 18 оснащена двумя подшипниками 19 и 20, вращающимися на нижнем фланце 21, неподвижно закрепленном относительно цилиндрического тела 22. Указанное цилиндрическое тело или рукав 22 установлен с возможностью осевого скольжения на внешнем соосном валу 23, причем поворот рукава 22 относительно вала 23 фиксирован, поскольку рукав 22 приводится в движение продольными тягами 24 и 25, неподвижно установленными на нем самом.

Указанные продольные тяги 24-25 установлены с возможностью прохождения через втулку 26 нижнего винта, жестко закрепленную на указанном валу 23, причем они скользят в осевом направлении внутри указанной втулки 26 и приводятся в движение при ее вращении.

Диск 27 также жестко закреплен на рукаве 22 и, в результате, повторяет как вращательное движение, управляемое валом 23 с помощью продольных тяг 24 и 25 через втулку 26, так и его осевое перемещение, управляемое контрольной втулкой 18 и также передаваемое на рукав 22. На диске 27 шарнирно закреплены рулевые тяги 28 и 29, перемещающие задние кромки соответствующих лопастей нижнего винта, соединенных с ними, и вращающиеся абсолютно синхронно с пластиной 27, поскольку их вращает, хотя и косвенно, внешний вал 23.

В соответствии с настоящим изобретением лопасти нижнего винта установлены на валах, соединяющих их с втулкой 26, и при этом имеют только одну степень свободы, а именно, степень свободы, которая обеспечивает возможность изменения их общего шага. По существу, функция рулевых тяг 28 и 29 заключается в сообщении поступательного движения задней кромке соответствующей лопасти от диска 27 и, таким образом, в изменении угла атаки каждой из лопастей винта.

В соответствии с одним из отличительных признаков настоящего изобретения указанные продоль- 3 021156 ные тяги 24 и 25 сообщают то же самое поступательное движение изменения шага и на верхний винт, установленный соосно относительно нижнего винта и вращающийся в противоположном ему направлении.

В частности, в предпочтительном варианте осуществления изобретения указанные продольные тяги 24-25 сообщают собственное осевое движение на внутренний диск 30 внешнего кольца 31, вращающегося в направлении, противоположном направлению вращения диска 30 за счет расцепления, совершаемого упорным подшипником 33. Внутренний вал 32 установлен с возможностью вращения внутри указанного диска 30 в направлении, противоположном направлению вращения данного диска, причем без какоголибо взаимного механического воздействия. Таким образом, пластина 31 всегда совершает то же самое поступательное движение, что и нижний фланец 21 и все описанные элементы, неподвижно закрепленные на нем, а также относительно друг друга.

На вращающейся пластине 31 шарнирно закреплены рулевые тяги 34 и 35 для верхнего винта, перемещающиеся абсолютно синхронно с рулевыми тягами 28 и 29, приводимыми в движение диском 27, что приводит к аналогичному смещению задней кромки лопастей верхнего винта, установленного соосно относительно нижнего винта и вращающегосяся в противоположном ему направлении. Таким образом, обеспечено абсолютно синхронное изменение шага всех лопастей, то есть общего шага обоих винтов.

Следует отметить, что в соответствии с еще одним отличительным признаком настоящего изобретения ни диск 27, ни вращающаяся пластина 31 не колеблются, в результате, не происходит циклического изменения угла атаки ни одной из лопастей винтов. Из приведенного выше описания кинематической цепи рычага 9 управления общим шагом следует, что при перемещении указанного рычага 9 вверх одновременно произойдет смещение вниз задней кромки всех лопастей, что приведет к увеличению угла их атаки, как геометрически в абсолютном направлении, так и аэродинамически в соответствии с текущими условиями полета. При перемещении рычага 9 вниз, получим обратный эффект, с общим уменьшением угла атаки всех лопастей. Таким образом, указанные действия позволяют управлять набором высоты и снижением вертолета.

В отличие от современных летательных аппаратов, в которых угол крена в любом направлении регулируют путем управления циклическим шагом винта, в настоящем изобретении угол крена регулируют, используя задние элероны 2-3. Текущее положение задних элеронов определяет пилот, перемещая ручку 8 управления, через специальную кинематическую цепь управления либо напрямую (фиг. 5), либо с использованием сервоприводов известного типа, причем их используют при необходимости для уменьшения прилагаемого пилотом усилия. Управляемое движение, приложенное к ручке 8, доходит до элеронов 2 и 3 через зеркальную последовательность кинематических соединений, отходящих от блока управления, сформированного, по существу, между тремя коническими зубчатыми колесами, находящимися в непрерывном зацеплении, причем далее указанный блок именуют дифференциальный блок или конструкция. Указанная кинематическая цепь приводится в движение посредством ручки 8 управления и целиком представлена на фиг. 5.

Указанный дифференциальный блок показан на фиг. 6. В описании принципа работы указанного блока, приведенном далее, ссылаются на фиг. 6. Дифференциальный блок образован ручкой 8 управления, относительно которой неподвижно закреплены вертикальный Ь-образный кронштейн 36 и центральное коническое зубчатое колесо 38. Указанное зубчатое колесо 38 закреплено на ручке 8 посредством короткого вала, проходящего через горизонтальный С-образный кронштейн 37, в результате, оно способно повторять любое движение, прикладываемое к ручке 8. Центральное коническое зубчатое колесо 38 находится в непрерывном зацеплении с двумя боковыми коническими зубчатыми колесами: правым колесом 39 и левым колесом 40, образуя, тем самым традиционную дифференциальную конструкцию. Указанные боковые конические зубчатые колеса 39 и 40 закреплены на одном конце правой полуоси 41 и левой полуоси 42 соответственно, причем их сцепление с центральным коническим зубчатым колесом 38 обеспечено специальной опорой или С-образным кронштейном 37. Две полуоси 41 и 42 выполнены с возможностью вращения в соответствующих отверстиях, выполненных в опоре 37, при этом они жестко соединены с внешними коническими зубчатыми колесами 43 и 44. Конические зубчатые колеса 43 и 44, в свою очередь, приводят в движение трансмиссионные конические зубчатые колеса 45 и 46, которые управляют продольными тягами 47 и 48 соответственно.

Как показано на фиг. 5, продольные тяги 47 и 48 через синхронные карданы 49 и 50 и дополнительные трансмиссионные тяги 51 и 52 передают движения, совершаемое главной ручкой 8, от дифференциального блока к правому элерону 2 и левому элерону 3 соответственно.

Подрбоно изучив фиг. 6, можно заметить, что положение основной ручки 8 управления определяет положение задних элеронов 2 и 3. Для простоты понимания рассмотрим в первую очередь два основных движения, совершаемых ручкой 8 при воздействии на нее пилота, и примем их в качестве эталонных движений. К основным движениям относятся отклонение вперед-назад (продольное отклонение) и вправо-влево (поперечное отклонение), которым соответствуют аналогичные отклонения всего вертолета. Любые другие возможные движения ручки 8 представляют собой не что иное, как сумму векторов компонентов отклонения вдоль этих двух основных осей координат.

Рассмотрим случай отклонения ручки вперед или назад. Можно заметить (фиг. 6), что через фикси- 4 021156 рованный узел, сформированный основной ручкой 8 управления, Ь-образным кронштейном 36 и центральным коническим зубчатым колесом 38, вращение вперед или назад передается на С-образный кронштейн 37, причем колесо 38 не совершает вращательное движение относительно С-образного кронштейна 37. В данном случае, боковые конические зубчатые колеса 39 и 40, находящиеся в зацеплении с центральным коническим зубчатым колесом 38, также поворачиваются вместе с кронштейном 37, который перемещает их в том же самом направлении и на тот же самый угол, причем относительно друг друга указанные колеса не движутся. Это происходит благодаря тому, что зубчатое колесо 38 не движется относительно кронштейна 37. В результате чего, две полуоси 41 и 42, неподвижно закрепленные относительно боковых конических зубчатых колес 39-40, переместяться вперед или назад на тот же самый угол, на который пилот сместил основную ручку 8, как если бы они представляли собой один неподвижный вал. Учитывая данный факт, следует отметить, что конические зубчатые колеса 45 и 46, находящиеся в зацеплении с зубчатыми колесами 43 и 44 соответственно, установленными на противоположных концах соответствующих полуосей, начнут поворачиваться в противоположных направлениях относительно друг друга.

Конечный результат указанного вращения в противоположном направлении, называемого также сопряжением, которое передается без изменений на два задних элерона 2-3, проиллюстрирован на фиг. 7 и 8. На фиг. 7 показаны положения, которые принимают задние управляющие элероны, когда пилот полностью отклоняет ручку 8 управления вперед. В данном контрольном положении зубчатое колесо 45, показанное с позиции пилота, поворачивается против часовой стрелки на тот же угол, на который поворачивается ручка, тогда как зубчатое колесо 46 поворачивается на тот же угол, но по часовой стрелке. Эти вращения передаются без изменений, через трансмиссионные тяги 47, 51 и 48, 52 и синхронные карданы 49 и 50, непосредственно на задние элероны 2-3, в результате, соответствующие верхние передние кромки приближаются друг к другу, нижние передние кромки удаляются друг от друга, то есть два элерона расходятся относительно стороны фюзеляжа.

Учитывая то, что на элероны действует нисходящий вертикальный поток воздуха от винтов, каждый элерон создает отклонение указанного потока, зеркально-симметричное отклонению, создаваемому другим элероном. При наклонном положении осей вращения элеронов относительно продольной оси машины, элерон 2 отклоняет поток воздуха от винтов вперед и вправо, тогда как левый элерон отклоняет его вперед и влево, зеркально относительно продольной оси фюзеляжа. Таким образом, правые и левые элементы компенсируют друг друга, а передние элементы суммируются.

В настоящем изобретении согласно третьему закону Ньютона, их суммарный результат будет воздействовать на центр тяжести летательного аппарата с силой, стремящейся сместить его назад, при этом весь летательный аппарат, удерживаемый силой двух винтов, расположенных над его центром тяжести, будет стремиться в обратном направлении, то есть вперед. В этом новом положении произойдет соответствующий наклон оси вращения винтов и, соответственно, их (взаимно параллельных) плоскостей вращения, которые благодаря описанному способу конструирования и сборки машины всегда перпендикулярны оси вращения винтов.

Таким образом, создана часть тяги воздушного потока от винтов, направленная к носу летательного аппарата и вызывающая перемещение машины вперед, в частности, в направлении смещения главной ручки 8 вперед, выполняемого пилотом и рассмотренного в начале этого анализа.

Оклонение ручки 8 назад до упора согласно принципу действия, противоположному тому, что был описан выше, симметрично обеспечивает эквивалентное вращение задних элеронов 2 и 3 в противоположном направлении, как проиллюстрировано на фиг. 8. При этом, следует отметить, что элероны поворачиваются таким образом, что верхние передние кромки удаляются друг от друга, а соответствующие нижние передние кромки сближаются. В результате, нисходящий поток воздуха от винтов отклоняется внутрь и назад относительно центра тяжести машины. Таким образом, центр тяжести машины будет стремиться вперед к носовой части машины, что вызовет перемещение самого летательного аппарата и плоскости вращения лопастей назад, то есть в направлении, выбранном пилотом посредством главной ручки 8.

Для того, чтобы понять, что происходит при смещении главной ручки 8 вправо или влево, необходимо снова обратиться к фиг. 6.

Когда ручку 8 отклоняют вправо или влево, горизонтальный С-образный кронштейн 37 остается неподвижным, тогда как Ь-образный кронштейн 36 поворачивается совместно с ручкой. Таким образом, коническое зубчатое колесо 38, жестко соединенное с кронштейном 36, также перемещается на тот же угол. Указанное колесо 38 передает вращательное движение на каждое боковое зубчатое колесо 39 и 40, которые, очевидно, будут вращаться в противоположных друг другу направлениях, приводя в движение соответствующие полуоси 41 и 42 и, соответственно, внешние зубчатые колеса 43 и 44. При этом зубчатые колеса 43 и 44 передают вращательное движение на зубчатые колеса 45 и 46, с которыми они зацеплены, в том же самом направлении. В рассматриваемом случае оба зубчатых колеса 45 и 46 вращаются против часовой стрелки, когда ручку 8 отклоняют вправо, и по часовой стрелке, когда ручку 8 отклоняют влево. Очевидно, что такое же вращательное движение совершают валы 47 и 48, неподвижно закрепленные относительно зубчатых колес 45 и 46, а также два задних элерона 2 и 3 через оставшуюся часть

- 5 021156 трансмиссионной цепи.

В соответствии с настоящим изобретением задние элероны 2 и 3, которые при отклонении ручки 8 управления вперед/назад перемещаются за счет сопряженного движения, в случае отклонения главной ручки 8 вправо/влево будут перемещаться за счет согласованного движения, но в направлении, противоположном направлению отклонения ручки.

Результат, получаемый при отклонении главной ручки 8 управления в крайнее правое и крайнее левое положения, проиллюстрирован на фиг. 9 и 10.

В этих двух случаях при отклонении ручки 8 вправо и влево соответственно С-образный кронштейн 37 остается неподвижным. Как показано на фиг. 9, при отклонении ручки до упора вправо, показанном с позиции пилота, верхние передние кромки обоих элеронов поворачиваются к левой стороне машины. При этом, основная часть отклоняемого воздушного потока от винтов направляется к правой стороне летательного аппарата, смещая центр тяжести аппарата и поворачивая его влево, что приводит к отклонению летательного аппарата вправо, то есть в нужную сторону.

Если рассматривать фиг. 9, можно заметить, что правый элерон 2 отклоняет воздушный поток от винтов вправо и вперед, тогда как левый элерон 3 отклоняет воздушный поток от винтов вправо и назад. Таким образом, в дополнение к результирующей силе, действующей вправо и создающей тягу вертолета и вращение за счет расстояния от указанной тяги до центра тяжести, существует также пара сил, создающая крутящий момент в центре тяжести, который стремится развернуть вертолет вправо.

На фиг. 10 представлено обратное действие, сущность которого теперь очевидна. В данном случае ручка управления отклонена до упора влево, оба элерона наклоняются к правой стороне машины, смещая центр тяжести и поворачивая его вправо, тем самым, наклоняя всю машину влево, то есть в сторону, заданную пилотом.

Следует отметить, что поскольку задние элероны отведены назад относительно центра тяжести машины, как видно на фиг. 1, в момент сообщения боковой команды или введения бокового элемента с учетом положения ребер, на машину действует элемент вращательного движения вокруг вертикальной оси, что само по себе способствует вращению летательного аппарата, причем в ответ на команды впередназад машина эффективно перемещается либо вперед, либо назад. Указанное вращение тем сильнее, чем больше наклон ручки управления в сторону, выполняемый пилотом для увеличения скорости разворота. В случае когда, несмотря на необходимость быстрого разворота машины в одну из двух сторон, пилот хочет предотвратить одновременное чрезмерное вращение вокруг вертикальной оси, он может компенсировать указанное спонтанное положение, уменьшив по желанию угловую скорость разворота за счет воздействия на педали и соответствующего поворота переднего элерона. Тем самым, он может добиться точной заданной траектории. Если же пилот управляет только педалями, удерживая ручку в нейтральном центральном положении, он получает простое вращение машины вокруг вертикальной оси точно также, как это происходит на современных вертолетах, оборудованных системой управления положением относительно вертикальной оси (с вертикально установленным рулевым винтом), то есть способом, отличным от раскрытого выше.

Механизм управления педалями, контролирующий положение (вращение) только переднего элерона, показан на фиг. 11. Как видно из фиг. 11, комплект педалей состоит из двух педалей: правой педали 10 и левой педали 11, доступных пилоту, который может перемещать их ногами. Указанные педали с соответствующими Ь-образными кронштейнами 49 и 50 и поперечными рычагами 51 и 52 образуют часть параллелепипеда пантографа. Коническое зубчатое колесо 53, закрепленное на рычаге 52, сообщает движение на коническое зубчатое колесо 54 и, тем самым, на вал 55 и передний элерон 1, жестко соединенный с указанным валом. Указанная управляющая цепь может быть прямой, как показано на чертеже, или с предусмотренным сервоприводом известного типа, обеспечивающим уменьшение прилагаемых пилотом усилий. Расположение подвижных тяг в виде пантографа позволяет педалям совершать параллельное движние вперед и назад, вызывая, тем самым, вращение зубчатого колеса 53 и остальных элементов указанной управляющей цепи.

При рассмотрении кинематики устройства можно заметить, что, когда пилот толкает правую педаль 10 вперед, зубчатое колесо 53, показанное сверху, поворачивается против часовой стрелки и приводит в движение зубчатое колесо 54. Зубчатое колесо 54, показанное спереди, вращается по часовой стрелке, вызывая через вал 55 наклон верхней передней кромки переднего элерона 1 вправо, или, если смотреть с позиции пилота, его вращение по часовой стрелке. Очевидно, что, находясь в указанном положении наклона относительно конструкции летательного аппарата, элерон 1 отклоняет воздушный поток от винтов к левой стороне вертолета. При этом, если ручка управления остается в центре, машина повернется вокруг вертикальной оси вправо, то есть в сторону, с которой находится педаль, на которую воздействует пилот.

Когда пилот нажимает на левую педаль, происходит аналогичное, но противоположное действие.

Приведенный выше анализ выполнен на основе предположения, что пилот воздействует только на педали.

В обратном случае, если работа педалей 10-11 происходит одновременно с главной ручкой 8, модификация обеспечена эффективностью управления в соответствии с выбором пилота при осуществле- 6 021156 нии маневра любого возможного типа произвольно и заданно, в особенности при совершении поворота.

В завершении описания конструкции элементов управления положением летательного аппарата, предусмотренных в настоящем изобретении, при нормальном режиме, а также описания эффекта от действий, выполняемых в отношении управляющих элементов, следует также описать поведение летательного аппарата при определенном режиме полета, известном как режим авторотации. Данный режим полета неизбежен в случае частичного или полного отсутствия подъемной силы, создаваемой двигателем. В данном случае характеристики работы предлагаемой машины превышают и, по существу, улучшают возможности современных машин аналогичного класса. Этого удается добиться благодаря двум основным особенностям: во-первых, благодаря возможности одновременной установки всех лопастей в значительный отрицательный угол атаки, и, во-вторых, благодаря наличию указанных масс 6, предназначенных для локализованного увеличения веса на конце каждой лопасти.

Необходимо отметить, что в современных вертолетах и известных на сегодняшний день летательных аппаратах подобного типа невозможно установить лопасти, удерживающие винты летательного аппарата, в значительный отрицательный угол атаки. Это невозможно из-за помех, возникающих при управлении циклическим шагом. Сваливание современного вертолета в режиме авторотации, как правило, является отрицательным и необратимым состоянием независимо от высоты и положения полета, что, в результате, приводит к падению летательного аппарата. Для любого используемого летательного аппарата существует определенная диаграмма, согласно которой пилот обязан предотвращать или сводить к минимуму вероятность возникновения указанных летных ситуаций, в частности, предотвращать возникновение таких опасных, часто фатальных положений сваливания. Указанная диаграмма печально известна любому пилоту вертолета и на авиационном профессиональном языке называется диаграмма мертвой зоны.

Согласно настоящему изобретению при условии минимальной необходимой внимательности со стороны пилота вероятность возникновения подобных ситуаций сведена практически к нулю, независимо от высоты и положения летательного аппарата. По существу, значительная кинетическая энергия, накапливаемая винтами благодаря предусмотренным концевым массам 6 на лопастях винтов, даже при отказе двигателя, позволяет предотвратить возможное снижение скорости вращения лопастей за очень короткое время и избежать эффективных и коррекционных своевременных вмешательств пилота. В результате, у пилота остается время и возможность для безопасного управления снижением вертолета даже на очень небольших высотах. Аналогично, на больших высотах обеспечена возможность предотвращения потери двигателем скорости вращения, при этом пилот получает возможность быстрой установки лопастей на значительный отрицательный угол атаки даже более -45°.

Таким образом, даже если машина теряет высоту и лопасти находятся в условиях опасного аэродинамического сваливания, их можно возвратить обратно в условия ламинарного потока, при этом восстановить аэродинамический подъем относительно нисходящего воздушного потока и далее восстановить скорость вращения, что позволит пилоту постепенно снова достичь заданную скорость вращения и установить угол атаки, при которой возможно снижение летательного аппарата в режиме авторотации.

Выполнить описанные в настоящем изобретении действия в аварийной ситуации можно только на предлагаемом летательном аппарате, в частности, благодаря тому, что в нем не предусмотрено управление циклическим шагом, при котором выполнение данных действия стало бы невозможным.

Однако существует еще один режим полета, при котором предлагаемый в настоящем изобретении летательный аппарат не обладает недостатками машин, известных на сегодняшний день. Это режим, при котором предлагаемый летательный аппарат функционирует подобно конвертоплану, при этом он не обладает сложной конструкцией конвертоплана и даже при минимальных поломках не подвержен серьезным рискам. В случае когда предлагаемый в настоящем изобретении летательный аппарат оснащен двигателем или двигателями достаточной мощности, его можно привести в почти горизонтальное положение на скорости, превышающей скорость, которую развивает любой современный вертолет, просто за счет управления углом атаки задних элеронов 2 и 3. В данном конкретном положении летательного аппарата винты, плоскость вращения которых практически вертикальна, выполняют функцию традиционных соосных винтов противоположного вращения с изменяемым шагом, а задние элероны помимо их основной функции управления положением развивают также аэродинамическую подъемную силу, подобно крыльям самолета. После чего летательный аппарат можно в любой момент снова привести в традиционное положение вертолета просто путем уменьшения мощности, подаваемой к несущим винтам, и путем управления углом атаки задних элеронов 2 и 3. Летательный аппарат, сконструированный с этой дополнительной возможностью, целесообразно оснастить простыми устройствами, предназначенными для управления положением сидений пилота и возможных пассажиров, для компенсации значительного вращения фюзеляжа и удержания экипажа и пассажиров летательного аппарата в положении, близком к вертикальному.

Указанные устройства предпочтительно не требуются в машинах описанного типа без пилота и/или экипажа на борту.

В завершение, следует упомянуть, что в настоящем изобретении, с точки зрения нагрузок, действующих на конструкции и на аэродинамические органы управления даже в условиях нормального поле- 7 021156 та, поведение вертолета, как правило, более критичное и нестабильное, по сравнению с поведением самолета, приближено к поведению последнего, даже несмотря на то, что вертолет сохраняет свою характерную особенность полета и управления на очень низких скоростях или даже в фиксированной точке, что полностью исключено для самолета. Более того, при оснащении вертолета достаточной тяговой мощностью он может обладать характеристиками, присущими для самолета.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотренный рычаг 9 управления общим шагом выполнен с возможностью одновременного и общего изменения угла атаки всех лопастей, которое для положительного угла атаки передних кромок достигает значений, превышающих или равных 12°, а для отрицательного угла атаки передних кромок составляет более 45°.

В настоящем изобретении этого достигают просто за счет управления перемещением только двух соосных пластин противоположного вращения, не колеблющихся и образующих часть вращающегося элемента, расположенного вблизи винтов и выполненного с возможностью скольжения на соответствующих валах посредством передач, отходящих напрямую или с помощью сервоприводов от описанного выше рычага 9 управления общим шагом и действующих абсолютно синхронно на каждую лопасть винта для изменения угла атаки его лопастей.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Летательный аппарат с несущими винтами (4, 5) противоположного вращения, отличающийся тем, что в совокупности содержит средства для изменения общего шага, то есть для одновременного и равного изменения угла атаки всех лопастей указанных винтов (4, 5); а также средства управления положением и направлением полета, выполненные с возможностью создавать соответствующие аэродинамические силы посредством воздушного потока от несущих винтов и, таким образом, исключающие необходимость использования средств для изменения циклического шага лопастей винтов;

   причем указанные средства управления положением и направлением полета содержат управляющие поверхности, причем указанные управляющие поверхности, по существу, представляют собой элероны (1, 2, 3), количество которых составляет по меньшей мере три, причем два элерона (2, 3) расположены в задней части фюзеляжа, симметрично относительно продольной оси машины, при этом их соответствующие оси вращения лежат в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести летательного аппарата, а третий элерон (1) расположен в носовой части, в частности на продольной оси вертолета, при этом он имеет собственную ось вращения, лежащую в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести машины, причем указанные три элерона (1, 2, 3) управления положением и направлением полета расположены под винтами (4, 5), в горизонтальной плоскости, параллельной фиксированной плоскости вращения винтов и проходящей рядом с центром тяжести летательного аппарата, и предусмотрены подвижные средства, предназначенные для перемещения указанных управляющих поверхностей симметрично или асимметрично относительно друг друга для обеспечения наклона и/или движения по тангажу всего летательного аппарата, так что в условиях установившегося полета в фиксированной точке хорда крыла указанных элеронов параллельна оси вращения винтов (4, 5).
2. 2. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что указанные винты противоположного вращения содержат верхний винт (4) и нижний винт (5), расположенные на одной оси, причем указанные средства изменения общего шага содержат рычаг (9) управления общим шагом, выполняющий исключительно функцию одновременного и равного изменения угла атаки лопастей обоих несущих винтов.
3. 3. Летательный аппарат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что лопасти винтов (4, 5) содержат дополнительные концевые массы обтекаемой формы, обеспечивающие лопастям винтов дополнительную жесткость за счет центробежной силы, развиваемой при вращении, а также позволяющие винтам накапливать большее количество кинетической энергии, используемой в возможных критических условиях полета и, в частности, при маневрировании в режиме авторотации.
4. 4. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что он содержит известную основную ручку (8) управления, обеспечивающую управление движением двух боковых задних элеронов (2, 3), и педали (10, 11), обеспечивающие управление третьим элероном (1).
5. 5. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один двигатель, одну трансмиссию и разъединительную цепь, предусмотренную между двигателем и валами для управления винтами, а также одну цепь шестерен редуктора, выполненную с возможностью изменения направления вращения соосных валов.
6. 6. Летательный аппарат по п.2, отличающийся тем, что указанные средства изменения общего шага содержат узел для управления системой винтов, содержащий две пластины (27, 31), установленные с возможностью вращения без колебания, предназначенные для изменения наклона лопастей винтов (4, 5), соответствующим образом установленных на втулке винта.
7. 7. Летательный аппарат по п.6, отличающийся тем, что кинематическая цепь управления общим

   - 8 021156 шагом является прямой или снабжена сервоприводом, причем она начинается от рычага (9) управления общим шагом, установленного с возможностью движения вверх или вниз, причем указанный рычаг (9) неподвижно закреплен относительно рычага (12), предназначенного для перемещения рулевой тяги (13), приводящей во вращательное движение прямоугольный рычаг трансмиссии или Ь-образный рычаг (15), установленный с возможностью вращения на оси (16) и управляющий шарнирной рулевой тягой (17), установленной с возможностью осевого движения вверх или вниз для управления перемещением вверх или вниз контрольной втулки (18), оснащенной двумя подшипниками (19, 20), вращающимися на нижнем фланце (21), неподвижно закрепленном относительно цилиндрического тела (22); причем указанное цилиндрическое тело или рукав (22) выполнены с возможностью осевого скольжения на внешнем соосном валу (23) и фиксированного вращения относительно указаного вала посредством специальных продольных тяг (24, 25), неподвижно закрепленных относительно рукава (22).
8. 8. Летательный аппарат по п.7, отличающийся тем, что указанные продольные тяги (24, 25) установлены с возможностью прохождения через втулку (26) нижнего винта (5), жестко закрепленную на внешнем валу (23), причем они скользят внутри указанной втулки (26) в осевом направлении и приводятся в движение при ее вращении; причем летательный аппарат содержит диск (27), жестко закрепленный на рукаве (22) с возможностью повторения как его вращательного движения, управляемого валом (23) посредством тяг (24, 25) через втулку (26), так и его осевого движения, управляемого контрольной втулкой (18) и также передаваемого на рукав (22); причем на диске или пластине (27) шарнирно закреплены рулевые тяги (28, 29), выполненные с возможностью перемещать задние кромки соответствующих лопастей нижнего винта (5), соединенных с ними, и вращаться абсолютно синхронно с пластиной (27) под воздействием указанного внешнего вала (23); причем лопасти нижнего винта (5) установлены на валах, соединяющих их с втулкой (26), и при этом имеют только одну степень свободы, а именно степень свободы, которая обеспечивает возможность изменения их общего шага; причем рулевые тяги (28, 29) выполнены с возможностью сообщения задней кромке соответствующей лопасти поступательного движения от диска (27) и, таким образом, соответственно изменения угла атаки каждой из лопастей винта (5).
9. 9. Летательный аппарат по п.7, отличающийся тем, что указанные продольные тяги (24, 25) выполнены с возможностью передавать собственное поступательное движение изменения шага также и на верхний винт (4), установленный соосно относительно нижнего винта (5) и вращающийся в противоположном ему направлении; причем указанные тяги (24, 25) выполнены с возможностью передавать собственное осевое движение на внутренний диск (30) внешнего кольца (31), вращающегося в направлении, противоположном направлению вращения диска (30) за счет расцепления, совершаемого упорным подшипником (33), причем внутренний диск (30) и внешнее кольцо (31) не колеблются.
10. 10. Летательный аппарат по п.9, отличающийся тем, что внутренний вал (32) установлен с возможностью вращения внутри указанного диска (30) в противоположном ему направлении без какого-либо взаимного механического воздействия; а внешнее кольцо или пластина (31) выполнены с возможностью совершать то же самое поступательное движение, что нижний фланец (21); причем на указанной пластине (31) шарнирно закреплены рулевые тяги (34, 35) для верхнего винта (4), приводимые в движение диском (27), жестко закрепленным на рукаве (22) с возможностью повторения его вращательного и осевого движения, что приводит к аналогичному смещению задней кромки лопастей верхнего винта (4), установленного соосно относительно нижнего винта (5) и вращающегося в противоположном ему направлении.
11. 11. Летательный аппарат по п.4, отличающийся тем, что два задних элерона (2, 3) выполнены с возможностью управления углом крена при перемещении ручки (8) управления через кинематическую цепь управления напрямую или через сервопривод.
12. 12. Летательный аппарат по п.11, отличающийся тем, что для управления элеронами (2, 3) через две зеркальные кинематические цепи управления он содержит ручку (8), неподвижно закрепленную относительно вертикального Ь-образного кронштейна (36), на котором посредством короткого вала, проходящего через горизонтальный С-образный кронштейн (37), установлено центральное коническое зубчатое колесо (38), находящееся в непрерывном зацеплении с двумя другими боковыми коническими зубчатыми колесами, соосными и противопоставленными друг другу: правым колесом (39) и левым колесом (40); для обеспечения возможности поворота ручки (8) вперед/назад вокруг оси вращения двух боковых конических зубчатых колес (39, 40), правого и левого, вокруг оси центрального конического зубчатого колеса (38); причем боковые конические зубчатые колеса (39, 40) закреплены на одном конце правой полуоси (41) и левой полуоси (42) соответственно, при этом их сцепление с центральным коническим зубчатым колесом (38) обеспечено указанным С-образным кронштейном (37); при этом две полуоси (41, 42) установлены с возможностью вращения относительно опоры (37) и, в свою очередь, жестко соединены с внешними коническими зубчатыми колесами (43, 44).
13. 13. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что указанные внешние зубчатые колеса (43, 44) выполнены с возможностью приведения в движение трансмиссионных конических зубчатых колес (45, 46), с которыми они сцеплены и которые выполнены с возможностью управления продольными тягами (47, 48) соответственно, которые через синхронные карданы (49, 50) и дополнительные трансмиссионные тяги (51, 52) выполнены с возможностью передачи движений, совершаемых главной ручкой (8),

    - 9 021156 к правому элерону (2) и левому элерону (3) соответственно; причем ручка (8) управления выполнена с возможностью перемещения вперед/назад, в продольном направлении, при этом соответствующие верхние передние кромки задних элеронов (2, 3) приближаются друг к другу/удаляются друг от друга, а нижние передние кромки удаляются друг от друга/приближаются друг к другу, и вправо/влево, в поперечном направлении, при этом два элерона (2, 3) перемещаются согласованно, но в направлении, противоположном направлению отклонения ручки, то есть влево/вправо; при этом другие возможные движения ручки (8) управления представляют собой сумму векторов компонентов отклонения вдоль этих двух, продольной и поперечной, осей координат.
14. 14. Летательный аппарат по п.4, отличающийся тем, что механизм управления комплектом педалей выполнен с возможностью управления положением, вращением только переднего элерона (1) и содержит две педали, правую педаль (10) и левую педаль (11), на которые пилот нажимает ногами; причем педали с соответствующими Ь-образными кронштейнами (49, 50) вместе с поперечными рычагами (51, 52) образуют часть параллелепипеда пантографа; причем предусмотрено центральное коническое зубчатое колесо (53), закрепленное на рычаге (52), для приведения в движение конического зубчатого колеса (54), и вал (55) для вращения переднего элерона (1), жестко соединенного с ним; указанная цепь управления выполнена простой и/или с сервоприводом; причем правая педаль (10) при перемещении вперед выполнена с возможностью отклонения вправо верхней передней кромки переднего элерона (1), а левая педаль (11) при перемещении вперед выполнена с возможностью отклонения влево верхней передней кромки переднего элерона (1); причем ручка (8) выполнена с возможностью, при удержании в центре, управления поворотом машины вокруг своей вертикальной оси в сторону, в которой находится нажимаемая педаль.
15. 15. Летательный аппарат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что указанные средства изменения общего шага выполнены с возможностью одновременного и общего изменения угла атаки всех лопастей винтов (4, 5), который для положительного угла атаки передних кромок составляет значение, превышающее или равное 12°, а для отрицательного угла атаки передних кромок составляет более 45°; что обеспечено просто за счет управления перемещением только двух соосных пластин (27, 30) противоположного вращения, образующих часть вращающегося элемента, расположенного вблизи винтов и выполненного с возможностью скольжения на соответствующих валах посредством передач, отходящих напрямую или с помощью сервоприводов известного типа от рычага (9) управления общим шагом и действующих абсолютно синхронно на каждую лопасть винта для изменения угла атаки лопастей винтов.