EA032549B1

EA032549B1 - Аэродинамический аппарат

Info

Publication number: EA032549B1
Application number: EA201800166A
Authority: EA
Inventors: Алиби Хакимович Ахмеджанов
Original assignee: Алиби Хакимович Ахмеджанов
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2019-06-28
Also published as: EP3573889B1; EA201800166A1; EP3573889A1; UA124276C2; WO2019074349A1; US20200198772A1

Abstract

Изобретение относится к авиационной технике. Технической задачей изобретения является создание нового нетрадиционного аэродинамического аппарата, обеспечивающего повышение эффективности использования энергии воздушного потока для создания подъемной силы, управляющих моментов и реактивной тяги аппарата. Для решения этой задачи в аэродинамическом аппарате, содержащем корпус, нагнетатели в виде вентиляторов с приводными двигателями (1, 22), крылья (3, 7), систему для поддержания необходимой температуры рабочей среды (28, 29, 30), узел для связи с внешней средой (13, 14, 26, 27) с отверстиями во внешнем корпусе (17) согласно изобретению за счет главных конструктивных решений, связанных с использованием основного поворотное крыла (3) и рулевого поворотного крыла (7), выполненных лепестокообразными, внешнего (17), среднего (19) и внутреннего (21) корпусов в виде сфер, влияющих на характер движения рабочей среды, для участков пути потока рабочей среды достигнуты оптимальные сфероподобные траектории, что минимизирует потери на трение воздушного потока. При этом функции узла для связи с внешней средой выполняют соответствующие управляемые двигателями клапана (13, 14, 26, 27). Конструктивные части заявляемого аппарата отвечают специальным условиям.

Description

032549 В1

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при создании аэродинамических (летательных) аппаратов, а также транспортных и грузоподъемных средств.

В аэродинамических аппаратах при обтекании крыла потоком частиц газообразного рабочего тела воздуха - на верхней и на нижней поверхностях крыла устанавливаются различные по величине давления, вызванные различными скоростями движущихся потоков над крылом и под крылом, что вызывает создание подъемной силы (Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю. Ишлинский. Москва. Научное издательство Большая Российская энциклопедия, 2000. с. 36,252).

Известен беспилотный аэродинамический аппарат, осуществляющий вертикальный взлет и посадку, а также горизонтальный полет, благодаря применению аэродинамического крыла специальной формы (подобной лепестку, лепестокообразной) и обдуванию верхней поверхности крыла от нагнетателя вентиляторного типа. (Этот аналог защищен следующими охранными документами: 1) инновационный патент Республики Казахстан №29950 Аэродинамическое устройство, опубликован 15.10.2010 г., см. в нем фиг. 15; 2) патент Республики Казахстан №29950 Аэродинамическое крыло, опубликован 30.03.2017 г., смотри в нем фиг. 15; 3) евразийский патент №027683 Аэродинамический двигатель, опубликован 31.08.2017 г., см. в нем фиг. 15; 4) европейский патент № 3077282В1 Аегобупатю беуке, опубликован 27.12.2017 г., смотри в нем фиг. 15.). Крыло специальной формы выполнено в виде незамкнутой поверхности двойной кривизны, образованной системой продольных канавок вдоль всей поверхности крыла. Оно имеет конфузорный участок, переходный участок и диффузорный участок. В заявляемом объекте также используется указанное аэродинамическое крыло специальной лепестокообразной формы, подробное описание которого дано в указанном известном аналоге.

Недостатками указанного аналога являются значительные энергетические потери, что обусловливают следующие обстоятельства:

1) невозможность повторного использования энергии сходящего с крыла воздушного потока за счёт циклования, то есть невозможность возвращения части указанной энергии на начало процесса прироста энергии воздушного потока, создаваемого внешним источником, например работающим вентилятором;

2) отсутствие возможности управления энергией потока воздуха за счёт изменения массы потока воздуха, регулируя плотность воздуха, участвующего в процессе создания аэродинамической подъемной силы и реактивной силы воздушного потока;

3) отсутствие возможности использования импульса силы сходящего с крыла потока для создания дополнительных управляющих моментов сил для обеспечения управляемого и стабилизированного полета летательного аппарата.

Наиболее близким аналогом-прототипом является устройство (аэродинамический аппарат) для создания подъемной силы, имеющие три варианта исполнения (защищенное следующими охранными документами: 1) инновационный патент Республики Казахстан №24691 Устройство для создания подъемной силы (варианты), опубликован 17.10.2011 г.; 2) патент Республики Казахстан №24691 Устройство для создания подъемной силы (варианты), опубликован 15.08.2014 г.; 3) евразийский патент № 019321 Устройство для создания подъемной силы (варианты), опубликован 28.02.2014 г.; 4) европейский патент № 2658776 В1 Т11е беуюе 1о деиега!е йй Гогсе (орйопк), опубликован 29.03.2017 г.). Это устройство-аппарат содержит трубообразный корпус, с помощью которого осуществляется возможность создания подъемной силы путем организации движения потока среды для обтекания крыльев как по замкнутой траектории, так и по разомкнутой траектории, в зависимости от разных режимов работы аппарата, нагнетатели вентиляторного типа с приводными двигателями, крылья, имеющие в сечении аэродинамический профиль, систему для поддержания необходимой температуры рабочей среды, узел для связи с внешней средой.

Недостатками прототипа являются высокие энергетические затраты:

1) из-за большого числа нагнетателей вентиляторного типа;

2) из-за большой длины замкнутой траектории движения воздушного потока, дающей увеличенные потери на трение с внутренней поверхностью корпусов и между слоями воздушного потока, что приводит к увеличению весогабаритных характеристик аппарата и к повышенным энергетическим затратам;

3) из-за конструктивного исполнения наружной поверхности, имеющей увеличенную площадь, соприкасающуюся с атмосферным воздухом, что приводит к увеличению энергетических затрат на преодоление сил сопротивления трения внешней поверхности в процессе движения летательного аппарата в атмосфере;

4) в прототипе используется крылья, имеющие в сечении традиционный аэродинамический профиль, имеющие по размаху крыла относительно гладкую поверхность, без расположенных по потоку гребней , вследствие чего из-за интенсивного перетекания потока воздуха по боковым кромкам крыла с нижней поверхности на верхнюю поверхность в значительной степени снижается подъёмная сила, создаваемая на крыле, что значительно снижает энергетическую эффективность летательного аппарата в целом.

Общее свойство указанных недостатков заключается в отсутствии оптимизации некоторых конструктивных параметров, что приводит к низкой эффективности использования энергии движения рабочей среды.

- 1 032549

Технической задачей изобретения является создание нового аэродинамического аппарата, устраняющего указанные недостатки известных объектов, обеспечивающего повышение эффективности использования энергии воздушного потока для создания подъемной силы, управляющих моментов и реактивной тяги аппарата.

Кроме того, техническая задача изобретения включает в себя расширение арсенала аэродинамических устройств для авиации путем создания нового нетрадиционного аппарата.

Для решения поставленной технической задачи в аэродинамическом аппарате, содержащем корпус, выполненный с возможностью обеспечивать во внутреннем объёме движение газообразной рабочей среды, например воздуха, как по замкнутой траектории, так и по разомкнутой траектории, в зависимости от разных режимов работы аппарата; нагнетатели в виде вентиляторов с приводными двигателями; крылья; систему для поддержания необходимой температуры рабочей среды; узел для связи с внешней средой с отверстиями во внешнем корпусе - согласно изобретению аппарат имеет внешний корпус в виде сферы; внутри внешнего корпуса установлен жестко связанный с ним крепежными средствами средний корпус в виде сферы с образованием пространства α (альфа) между этими корпусами; внутри среднего корпуса установлен жестко связанный с ним крепежными средствами внутренний корпус в виде сферы с образованием пространства β (бета) между этими корпусами и пространства γ (гамма) внутри внутреннего корпуса; в пространстве γ установлен основной вентилятор с приводным двигателем, жестко связанный с внутренним корпусом с помощью опорных средств основного вентилятора, основное поворотное крыло, выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством основного поворотного крыла, снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства основного крыла и опорными элементами основного поворотного крыла, передающими силовое взаимодействие потока воздуха и основного поворотного крыла на жестко связанные корпуса, при чем кольцевое поворотное средство основного поворотного крыла обеспечивает возможность поворота основного поворотного крыла вокруг продольной оси аппарата (О-О) на 360 градусов; со стороны задней кромки основного поворотного крыла на поверхности внутреннего корпуса выполнено отверстие, соединяющее для рабочей среды пространства γ и β и регулируемое с помощью заднего перепускного клапана среднего корпуса, управляемого двигателем с приводными узлами заднего перепускного клапана среднего корпуса; аппарат снабжен системой для регулирования необходимой температуры рабочей среды со следующим расположением его основных элементов, компрессор холодильного средства жестко установлен в пространстве α, испаритель с дроссельным вентилем холодильного средства жестко установлен в пространстве β, а конденсатор-радиатор холодильного средства жестко установлен на задней наружной полусфере внешнего корпуса (месторасположения остальных не существенных вспомогательных стандартных элементов холодильного средства не имеют принципиального значения, поэтому эти вспомогательные элементы не упоминаются); вдоль продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем на среднем корпусе соосно жестко установлен периферийный вентилятор с приводным двигателем; в пространстве β по продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем расположен передний перепускной клапан внутреннего корпуса, приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего перепускного клапана внутреннего корпуса, обеспечивающий управление движением воздуха из пространства β в пространство γ, при этом на поверхности внутреннего корпуса установлено уплотнение переднего перепускного клапана внутреннего корпуса, которое для закрытого положения переднего перепускного клапана внутреннего корпуса обеспечивает качественную герметизацию, препятствующую движению воздуха из пространства β в пространство γ, в направлении движения потока рабочей среды, сходящей с основного поворотного крыла, вдоль продольной оси вентиляторов на среднем корпусе расположен задний клапан-шторка, приводимый в движение двигателем с приводными узлами заднего клапана-шторки, служащий для управления движением воздуха из пространства γ в атмосферу; вдоль продольной оси вентиляторов за задним клапаном-шторкой расположено рулевое поворотное крыло, выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством рулевого поворотного крыла, снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства рулевого крыла и опорными средствами рулевого поворотного крыла, передающими силовое взаимодействие потока воздуха и рулевого поворотного крыла на внешний корпус, при чем кольцевое поворотное средство рулевого поворотного крыла обеспечивает возможность поворота рулевого поворотного крыла вокруг продольной оси аппарата (О-О) на 360 градусов; вдоль продольной оси вентиляторов в пространстве α расположен передний перепускной клапан среднего корпуса, приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего перепускного клапана среднего корпуса, служащий для управления движением воздуха из внешней атмосферы последовательно в пространство α и γ; в межкорпусных пространствах аппарата расположены средства системы сбора и дренирования конденсата, снабженной дренажным насосом с выпускным патрубком для вывода конденсата в атмосферу; в нижней части внешнего корпуса аппарата расположено управляемое шасси, снабженное двигателями шасси с приводными узлами, при этом для убранного положения шасси в нижней части внешнего корпуса выполнено углубление таким образом, что с помощью углубления шасси в убранном положении встраивается в конструкцию внешнего корпуса, минимизируя сопротивление трения внешнего корпуса при движении в атмосфере; в среднем корпусе расположены

- 2 032549 система пространственной ориентации и система автоматического управления.

Кроме того отношение радиуса внутренней поверхности внешнего корпуса к радиусу внутренней поверхности среднего корпуса Вц/К₂ находится в диапазоне от 1,06 до 1,65; а отношение радиуса внутренней поверхности среднего корпуса к радиусу внутренней поверхности внутреннего корпуса К₂/К₃находится в диапазоне от 1,03 до1,55; для хорд, находящихся в соответствующих плоскостях симметрии крыл и обладающих максимальными размерами, отношение максимального размера хорды основного поворотного крыла к максимальному размеру хорды рулевого поворотного крыла В₁/В₂ лежите диапазоне от 0,59 до 18,5. (Поскольку длина хорды крыла равна длине отрезка прямой, соединяющий точки пересечения передней и задней кромок крыла плоскостью, содержащей профиль крыла, то в нашем случае максимальный размер хорды крыла находится в плоскости симметрии крыла.)

В предлагаемом аппарате функции узла для связи с внешней средой выполняют соответствующие клапана.

В заявленном объекте за счет главных конструктивных решений, связанных с использованием внешнего, среднего и внутреннего корпусов в виде сфер, влияющих на характер движения рабочей среды, для участков пути потока рабочей среды достигнуты оптимальные сфероподобные траектории, что минимизирует потери на трение воздушного потока. (Сфера является поверхностью шара. Как известно, согласно изопериметрическому свойству шара (ййр8://ги.^Шре01а.огд/^1к1/Сфера; и Бляшке В. Круг и шар. Перевод с немецкого. Москва. Издательство Наука. 1967. С. 98-99.) сфера имеет наименьшую площадь из всех поверхностей, ограничивающих данный объём, также из всех поверхностей с данной площадью сфера ограничивает наибольший объём. Поэтому тела сферической формы встречаются в природе, например, маленькие капли воды при свободном падении приобретают сферическую форму именно из-за минимизации площади поверхности силой поверхностного натяжения.)

Сущность изобретения поясняется графическими материалами в виде схем-фигур, описывающих один из лучших вариантов предлагаемого объекта. Рассмотрение этих фигур достаточно для понимания сущности изобретения.

На фигурах показаны следующие элементы, приведенные в таблице.

Таблица

Номер позиции	Наименование элементов аппарата
1	Основной вентилятор с приводным двигателем
2	Опорные средства основного вентилятора
3	Основное поворотное крыло
4	Кольцевое поворотное средство основного поворотного крыла
5	Двигатель с приводными узлами кольцевого поворотного средства основного крыла
6	Опорные средства основного поворотного крыла
7	Рулевое поворотное крьшо
8	Кольцевое поворотное средство рулевого поворотного крыла
9	Двигатель с приводными узлами кольцевого поворотного средства рулевого поворотного крыла
10	Опорные средства рулевого поворотного крыла
11	Система сбора и дренирования конденсата
12	Дренажный насос с выпускным патрубком системы сбора и дренирования конденсата
13	Задний клапан-шторка
14	Двигатель с приводными узлами заднего клапана-шторки
15	Задний перепускной клапан среднего корпуса
16	Двигатель с приводными узлами заднего перепускного клапана среднего корпуса
17	Внешний корпус
18	Крепежное средство внешнего и среднего корпуса
19	Средний корпус
20	Внутренний корпус
21	Крепежное средство внутреннего и среднего корпуса
22	Периферийный вентилятор с приводным двигателем
23	Передний перепускной клапан внутреннего корпуса
24	Двигатель с приводными узлами переднего перепускного клапана внутреннего корпуса
25	Уплотнение переднего перепускного клапана внутреннего корпуса
26	Передний перепускной клапан среднего корпуса
27	Двигатель с приводными узлами переднего перепускного клапана среднего корпуса
28	Компрессор холодильного средства
29	Испаритель с дроссельным вентилем холодильного средства
30	Конденсатор-радиатор холодильного средства
31	Шасси
32	Двигатель шасси с приводными узлами
33	Система пространственной ориентации
34	Система автоматического управления

- 3 032549

Причем здесь отметим, что ниже для ясного раскрытия сущности изобретения на каждой отдельной фигуре показаны в основном только те элементы устройства, которые нужны для иллюстрации изложения сути той или иной части описания изобретения (без лишних элементов, которые на фигурах не показываются). На фигурах схематично изображено следующее.

На фиг. 1 - сечение вертикальной плоскостью, содержащей плоскость симметрии и продольную ось 0-0 аэродинамического аппарата, с указанием выносных элементов изображения Ι-νΐ, IX.

На фиг. 2 - сечение горизонтальной плоскостью А-А, содержащей продольную ось 0-0 аэродинамического аппарата, с указанием выносных элементов изображения VII, VIII.

Фиг. 3-5 - выносной элемент I, при этом на фиг. 4 изображен случай, когда передний перепускной клапан среднего корпуса (26) в закрытом положении, на фиг. 5 -случай, когда передний перепускной клапан среднего корпуса (26) в открытом положении, стрелками указано направление движения потока воздуха.

Фиг. 6-8 - выносной элемент II, при этом на фиг. 7 изображен случай, когда передний перепускной клапан внутреннего корпуса (23) в закрытом положении и плотно прижат к уплотнению переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (25), на фиг. 8 - изображён случай, когда передний перепускной клапан внутреннего корпуса (23) в открытом положении, стрелками указано направление потока воздуха.

На фиг. 9-11 - выносной элемент V с указанием плоскости сечения Н-Н. При этом на фиг. 9 изображён задний перепускной клапан (15) в закрытом положении, весь сходящий воздушный поток с лопастей периферийного вентилятора с приводным двигателем (22) остаётся внутри пространства γ, стрелками указано направление потока воздуха; а на фиг. 10 изображён задний перепускной клапан (15) в полностью открытом положении, при этом сходящий воздушный поток с лопастей периферийного вентилятора с приводным двигателем (22) разделяется на два потока, часть потока движется в пространстве γ, другая часть потока движется в пространство β. На фиг. 11 показано сечение Н-Н из фиг. 9, в уменьшенном масштабе, на котором изображено размещение системы пространственной ориентации (33) и системы автоматического управления (34).

На фиг. 12 изображено размещение периферийного вентилятора с приводным двигателем (22), а также дренажный насос с выпускным патрубком (для вывода конденсата в атмосферу) (12) системы сбора и дренирования конденсата.

На фиг. 13-14 изображён вид И (а, Ь), при этом на фиг. 13 изображено полностью закрытое положение заднего клапана-шторки (13), а на фиг. 14 изображено полностью открытое положение заднего клапана-шторки (13).

На фиг. 15 показан выносной элемент VII, на котором изображено размещение кольцевого поворотного средства рулевого поворотного крыла (8), а также двигатель с приводными узлами кольцевого поворотного средства рулевого поворотного крыла (9).

На фиг. 16 показан выносной элемент VIII, на котором изображено размещение двигателя с приводными узлами заднего клапана-шторки (14).

На фиг. 17 изображено сечение В-В, перпендикулярное продольной оси О-О.

На фиг. 18-19 - выносной элемент IV с указанием плоскости сечения С-С. Показано размещение кольцевого поворотное средство основного поворотного крыла (4), двигателя с приводными узлами кольцевого поворотного средства основного крыла (5), опорного средства основного поворотного крыла (6). При этом на фиг. 19 изображено сечение С-С, показывающее поперечное сечение опорного средства основного поворотного крыла (6) и двигателя (5).

На фиг. 20 изображена конструктивная схема системы сбора и дренирования конденсата (11), снабженная дренажным насосом с выпускным патрубком (12).

На фиг. 21 изображена рассеченная продольной плоскостью симметрии конструктивная схема аэродинамического аппарата в изометрии, без внешнего корпуса (17), для лучшей визуализации размещения и понимания функционального назначения внутренних элементов аппарата. Так, например, показано положение рулевого поворотного крыла (7) в кольцевом поворотном средстве рулевого поворотного крыла (8), смещённого на 180 градусов вокруг продольной оси (О-О) относительно положения изображённого на фиг. 1 и 2.

На фиг. 22 изображена рассеченная продольной плоскостью симметрии конструктивная схема аэродинамического аппарата в изометрии, без внешнего корпуса (17) и среднего корпуса (18), для лучшей визуализации размещения и понимания функционального назначения внутренних элементов аппарата. Так, например, показано положение основного поворотного крыла (3) в кольцевом поворотном средстве рулевого поворотного крыла (4), смещённого на 60 градусов вокруг продольной оси (О-О) относительно положения, изображённого на фиг. 1 и 2.

На фиг. 23-24 показан выносной элемент IX (а, Ь). Изображено размещение шасси (31) и двигатель шасси с приводными узлами (32). При этом на фиг. 23 шасси (31) изображено в выпущенном положении, а на фиг. 24 шасси (31) изображено в полностью убранном положении.

На фиг. 25 стрелками указано возможные траектории движение потоков воздушного потока в пространстве γ под воздействием основного вентилятора с приводным двигателем (1) и периферийного вен

- 4 032549 тилятора с приводным двигателем (22).

На фиг. 26, в дополнении к тому, что изображено на фиг. 25, стрелками указано возможные траектории движения воздушного потока из атмосферы через пространство α в пространство γ при открытом переднем перепускном клапане среднего корпуса (26) с включением атмосферного воздуха в процессы в пространстве γ.

На фиг. 27, в дополнении к тому, что изображено на фиг. 25 и фиг 26, стрелками указано возможное движение воздушного потока из пространства γ в пространство β и снова в пространство γ, при одновременно открытых положениях заднего перепускного клапана среднего корпуса (15) и переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (23).

На фиг. 28, в дополнении к тому, что изображено на фиг. 25, фиг 26 и фиг. 27, стрелками указано возможное движение воздушного потока из пространства γ в атмосферу при открытом положении заднего клапана-шторки (13).

На фиг. 29, в дополнении к тому, что изображено на фиг. 26, стрелками указано возможное движение воздушного потока при открытом положении заднего клапана-шторки (13), а также стрелками указано возможное движение потока воздуха при поступательном движении аэродинамического аппарата в атмосфере.

На фиг. 30 изображен комплексный летательный аппарат, состоящий из трех модулей заявленного объекта, соединенных между собой жесткими конструктивными элементами. В центре этого аппарата размещен жестко связанный с ними корпус, внутри которого может находиться полезная нагрузка, электрические аккумуляторы энергии, объединенная система управления и др. При этом на фиг. 30 (а,Ь) для наглядности показано два изображения комплексного аэродинамического аппарата.

Предлагаемый аэродинамический аппарат работает следующим образом (фиг. 1-30).

Основные конструктивные элементы аппарата состоят из трех сферических корпусов (17, 19, 20) (фиг. 1, 2, 17, 21, 22). Сферические конструкции представляют собой жесткие несущие корпуса (17, 19, 20), связанные между собой крепежными средствами (18, 21) (фиг. 17, 21, 22), фиксирующими взаимное положение сфер относительно друг друга, а также способными передавать друг другу динамические нагрузки различных элементов, расположенных внутри конструкции аппарата, и воспринимать динамические нагрузки со стороны внешней среды, окружающей аппарат.

Внутренний корпус (20) представляет собой несущею жесткую конструкцию, внутри которой расположены следующие элементы (фиг. 1, 2).

Основной вентилятор с приводным двигателем (1) и опорными средствами основного вентилятора (2), имеющий аэродинамические лопасти, способные нагнетать воздух в заданном направлении (фиг. 1, 2).

Основное поворотное крыло (3), выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством основного поворотного крыла (4), снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства основного крыла (5) и опорными элементами основного поворотного крыла (6) (фиг. 1, 18, 19), передает силовое взаимодействие потока воздуха и основного поворотного крыла (3) на жестко связанные корпуса (17, 19, 20). Основное крыло (3) принимает на себя поток воздуха от основного вентилятора (1) и создает подъемную силу за счет использования свойств воздуха - неразрывности, сжимаемости и вязкости. В процессе обтекания воздухом основного поворотного крыла (3) возникает область низкого давления на верхней поверхности крыла (3) и область высокого давления на нижней поверхности, что создаёт на крыле (3) результирующую поперечную силу, направленную к продольной оси О-О. Опорные средства (6) передают силовое взаимодействия воздушного потока с крылом (3) на внутренний корпус (20), далее через силовые крепежные средства (18, 21) передают усилия на средний корпус (19) и внешний корпус (17) аппарата.

Со стороны задней кромки основного поворотного крыла (3) на поверхности внутреннего корпуса (20) расположено отверстие (фиг. 1., 2), соединяющее для рабочей среды пространства γ и β и регулируемое с помощью заднего перепускного клапана среднего корпуса (15), управляемого двигателем с приводными узлами заднего перепускного клапана среднего корпуса (16) (фиг. 9,10). При открытом положении заднего перепускного клапана среднего корпуса (15) (фиг. 10, вид V, Ь) обеспечивается поступление части нагретого в пространстве γ воздуха на поверхность жестко установленного в пространстве β испарителя с дроссельным вентилем холодильного средства (29) (фиг. 2, 17). Испаритель с дроссельным вентилем холодильного средства (29), являются одними (первым и вторым) из основных четырех элементов холодильного средства, входят в состав системы для регулирования необходимой температуры рабочей среды, которой снабжен аппарат. Кроме того холодильная система содержит такие третий и четвертый основные элементы, как компрессор холодильного средства (28), жестко установленный в пространстве α (фиг. 1, 17), и конденсатор-радиатор холодильного средства (30), жестко установленный на задней наружной полусфере внешнего корпуса (17), трубопроводы которого обдуваются наружным воздухом (фиг. 2). Месторасположения остальных не существенных вспомогательных стандартных элементов холодильного средства не имеют принципиального значения, поэтому эти вспомогательные элементы на фигурах не показаны. (Общеизвестно (Чумак И.Г., Чепурненко В.П. Холодильные установки. - Москва:

- 5 032549

Агропромиздат, 1991, стр.12, стр. 495), что холодильная машина состоит из четырех основных элементов: испарителя, дроссельного вентиля, компрессора и конденсатора.). Таким образом, выделяющие тепло работающие элементы аппарата охлаждаются движущимся внутри аппарата атмосферным воздухом с участием холодильного средства.

Вдоль продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем (1) соосно с ним жестко установлен периферийный вентилятор с приводным двигателем (22) (фиг. 1, 2, 12, 17).

Нагрев воздуха во внутреннем пространстве γ также происходит вследствие действия сил трения между воздушными слоями и механическими частями, соприкасающимися с высокоэнергетическим воздухом, непрерывно получающим энергию от лопастей вентиляторов с приводными двигателями (1) и (22). Наибольший нагрев воздуха, находящегося во внутреннем пространстве γ, происходит при закрытом положении отверстия, перекрываемого управляемым задним перепускным клапаном среднего корпуса (15) (фиг. 9, 10). При этом за счет одновременной работы приводных двигателей вентиляторов (1) и (22) воздух от основного вентилятора (1) движется в направлении основного поворотного крыла (3) и, проходя его, попадает на лопасти периферийного вентилятора (22), который направляет поток воздуха в направление основного вентилятора (1) по внутренней поверхности внутреннего корпуса (20), сохраняя направление вращения потока воздуха, предварительно сообщенного ему основным вентилятором (1). Воздух, прижатый центробежными силами и силами вязкости к внутренней поверхности внутреннего корпуса (20), движется в область, которую мы в дальнейшем назовем как входная зона основного вентилятора, которая расположена между передним перепускным клапаном среднего корпуса (26) и плоскостью вращения лопастей основного вентилятора (1). Далее воздушный поток, разворачивается, проходя входную зону основного вентилятора, и попадает в рабочую зону вращающихся лопастей основного вентилятора (1), и воздушный поток вновь получает импульс силы от работы вентилятора (1), и поступает на основное крыло (3). Таким образом, во внутреннем пространстве γ за счёт непрерывно повторяющихся циклов можно разогнать воздух до больших скоростей, создавая при этом большую подъемную силу на основном крыле (3), но при этом участвующий в этом процессе воздух будет нагреваться.

В пространстве β по продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем (1) расположен передний перепускной клапан внутреннего корпуса (23) (фиг. 1), приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего клапана внутреннего корпуса (24) (фиг. 1, 6), обеспечивающий управление движением воздуха из пространства β в пространство γ (служащий, при открытом положении заднего перепускного клапана (15) (фиг 10, вид У,Ь), для впуска воздуха, охлажденного в пространстве β с помощью испарителя с дроссельным вентилем (29)), при этом на поверхности внутреннего корпуса (20) установлено уплотнение переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (25) (фиг. 1, 7, 8), которое для закрытого положения переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (23) обеспечивает качественную герметизацию, препятствующую движению воздуха из пространства β в пространство γ.

В направлении движения потока рабочей среды, сходящей с основного поворотного крыла (3), вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) на среднем корпусе (19) расположен задний клапан-шторка (13) (фиг. 2, 13, 14), приводимый в движение двигателем с приводными узлами заднего клапана-шторки (14) (фиг. 16), служащий для управления движением воздуха из внутреннего пространства γ в атмосферу. Закрытое положение заднего клапана-шторки (13) показано на фиг. 13, вид Эа: открытое положение - на фиг. 14, вид Ό, Ь.

Выходящий воздух попадает на рулевое поворотное крыло (7) (фиг. 1, 2), расположенное вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) за задним клапаном-шторкой (13), выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством рулевого поворотного крыла (8) (фиг. 1, 15), снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства рулевого крыла (9) (фиг. 2, 15) и опорными средствами рулевого поворотного крыла (10), передающими силовое взаимодействие потока воздуха и рулевого поворотного крыла (7) на внешний корпус (17). Рулевое крыло (7) механически связано с несущими конструктивными элементами аппарата и служит совместно с основным крылом (3) для создания управляющих моментов сил, обеспечивающих управляемый полет в воздушном пространстве. Кроме того исходящий в атмосферу воздух создает реактивную тягу, обеспечивающую поступательное перемещение аппарата.

Вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) в пространстве α расположен передний перепускной клапан среднего корпуса (26) (фиг. 1, 3, 4, 5), приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего перепускного клапана среднего корпуса (27) (фиг. 1, 3, 4, 5), служащий для управления движением воздуха из внешней атмосферы последовательно в пространство α и γ. Закрытое положение переднего перепускного клапана среднего корпуса (26) показано на фиг. 4, сечение Р-Р, а; открытое положение - на фиг. 5, сечение Р-Р, Ь.

Атмосферный воздух, поступающий в аппарат, в процессе всасывания, сжатия и уплотнения, как правило, приводит к образованию конденсата, поэтому в аппарате предусмотрена система сбора и дренирования конденсата (11) (фиг. 1, 2, 20), расположенная в межкорпусных пространствах аппарата. Конденсат с помощью дренажного насоса с выпускным патрубком (12) системы сбора и дренирования конденсата (фиг. 12, 20) выбрасывается в атмосферу.

- 6 032549

В среднем корпусе (19) аппарата расположены система пространственной ориентации (33) (фиг. 11) и система автоматического управления (34) (фиг. 11).

В нижней части внешнего корпуса (17) аппарата расположено управляемое шасси (31) (фиг. 1, 17, 23, 24), снабженное двигателями шасси с приводными узлами (32) (фиг. 1, 17, 23, 24), при этом для убранного положения шасси в нижней части внешнего корпуса выполнено углубление (фиг. 1, 23, 24) таким образом, что с помощью углубления шасси (31) в убранном положении встраивается в конструкцию внешнего корпуса, минимизируя сопротивление трения внешнего корпуса (17) при движении в атмосфере. Шасси (31), получая управляющие команды от системы пространственной ориентации (33) и системы автоматического управления (34), изменяя угол раскрытия своих элементов, обеспечивает заданное положения аппарата на поверхности опоры (например, земли) в зависимости от наклона опоры или его плотности.

Для обеспечения стабильного и безопасного движения в воздухе предусматривается определенная последовательность в работе элементов аппарата на всех этапах взлёта, эволюции (различных передвижений) в воздухе и посадки на несущую жесткую поверхность. При этом от момента старта до достижения безопасной высоты необходимо конструктивно обеспечить соблюдение требования - относительно центра масс аппарата сумма всех моментов аэродинамических сил, генерируемых воздушным потоком внутри аппарата, обеспечивает положение продольной оси (О-О), параллельное горизонту места старта, с учётом работы системы автоматического управления (34) и системы пространственной ориентации (33).

На этапе взлёта шасси (31) должно обеспечивать расположение вертикальной плоскости симметрии аппарата перпендикулярно к горизонту места старта и поперечная горизонтальная плоскость, включающая в себя продольную ось О-О, должна быть параллельна горизонту места старта. В начальный момент плоскость симметрии основного крыла (3) и рулевого крыла (7) должны совпадать с вертикальной плоскостью симметрии аппарата, перепускные клапана (15, 23, 26) и задний клапан-шторка (13) должны быть в закрытом положении. Воздух во внутреннем пространстве γ приводится в движение при одновременном включении основного вентилятора с приводным двигателем (1) и периферийного вентилятора с приводным двигателем (22). Воздух первоначально под воздействием вращающихся лопастей движется от основного вентилятора (1) во внутреннем пространстве γ, взаимодействуя с основным крылом (3), попадает на вращающиеся профилированные лопатки периферийного вентилятора (22), которые направляют воздух вдоль внутренней поверхности внутреннего корпуса (20). При этом воздух удерживается в этой части внутреннего корпуса (20) центробежными силами и силами вязкости воздуха смачивающего внутреннею поверхность внутреннего корпуса (20). Причем периферийный вентилятор (22) сохраняет направление вращения воздушного потока заданного основным вентилятором (1). Далее воздух движется во входную зону основного вентилятора, взаимодействует со специально профилированными лопатками основного вентилятора (1), получает дополнительный импульс энергии и с большей скоростью устремляется на поверхность основного крыла (3), затем цикл повторяется. Потом двигатель (27) открывает передний перепускной клапан среднего корпуса (26) и атмосферный воздух через кольцевое отверстие в задней полусфере внешнего корпуса (17), проходя в пространстве β через отверстия в переднем перепускном клапане среднего корпуса (26), движется во входную зону основного вентилятора, попадает в рабочую зону вращающихся лопастей основного вентилятора (1) и включается в динамический процесс движения воздуха во внутреннем пространстве γ. При этом за счёт возрастания плотности воздуха увеличивается масса воздуха, возрастает энергетический потенциал процесса, что очень важно на взлётном режиме, например в условиях высокогорья. При нарастании температуры воздуха включается в работу холодильное средство и одновременно двигатель (24) открывает передний перепускной клапан внутреннего корпуса (23), а двигатель (16) открывает задний перепускной клапан среднего корпуса (15). При этом нагретый в циклическом процессе воздух из внутреннего корпуса (20) начинает поступать в межкорпусное пространство β и, обтекая испаритель с дроссельным вентилем холодильного средства (29), охлаждается. Потом охлаждённый воздух через кольцевое отверстие, образованное перемещением переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (23), попадает во входную зону основного вентилятора, смешивается с воздухом, находящимся во внутреннем пространстве γ и с атмосферным воздухом, поступающим через передний перепускной клапан среднего корпуса (26), и далее смешанный воздух продолжает участвовать в циклическом процессе во внутреннем пространстве γ. Поступающий описанным образом охлаждённый воздух снижает общую температуру воздуха, участвующего в циклическом процессе во внутреннем пространстве γ.

В процессе увеличения скорости движения воздуха над верхней поверхностью основного крыла (3) возрастает и разность давлений воздуха на верхней и нижней поверхности крыла (3), что создаёт на площади поверхности крыла (3) поперечную к потоку подъёмную силу. При определенных величинах скорости воздушного потока, взаимодействующего с основным крылом (3), подъёмная сила становиться равной или больше веса аппарата.

В момент, когда подъёмная сила уравновесит вес аппарата, двигатель (14) начинает открывать задний клапан-шторку (13) и высокоэнергетический воздух из внутреннего пространства γ начинает истекать в атмосферу, взаимодействуя с подстилающей поверхностью рулевого поворотного крыла (7). Сис

- 7 032549 тема автоматического управления (34) с учетом интенсивности и направления бокового ветра, действующего на внешний корпус (17), даёт управляющую команду двигателю кольцевого поворотного средства рулевого крыла (9) изменить положение рулевого поворотного крыла (7) таким образом, чтобы возникла поперечная сила на рулевом крыле (7), позволяющая повернуть аппарат вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс аппарата против горизонтальной составляющей бокового ветра, а реактивная сила, созданная истекающим из аппарата потоком воздуха, должна полностью компенсировать силовое действие на внешний корпус (17) аппарата горизонтальной составляющей бокового ветра. Аппарат, создав подъёмную силу, равную весу аппарата, и компенсировав действие бокового ветра по направлению и силе, готов к взлету. Увеличивая обороты двигателей основного вентилятора (1) и периферийного нагнетателя (22), создают подъёмную силу, превышающую вес аппарата, что переводит аппарат во взлетный режим. Учитывая внешние условия, место старта и направление ветра, система автоматического управления (34) аппарата реализует намеченную траекторию взлёта на заданную высоту, управляет оборотами двигателей вентиляторов (1, 22), расположением основного (3) и рулевого (7) поворотных крыльев и других элементов аппарата. После подъема на безопасную высоту расположение продольной оси аппарата (О-О) может быть произвольным и должно соответствовать программе управления. Так как основное крыло (3) и рулевое крыло (7), встроенные соответственно в кольцевые поворотные средства (4) и (8), имеют возможность вращаться вокруг продольной оси 0-0 на 360 градусов, то эти крылья (3, 7), взаимодействуя с управляемым по скорости набегающим на них потоком воздуха, могут создавать потребную композицию управляющих моментов сил относительно центра масс аппарата таким образом, что аппарат может осуществлять заданные эволюции (различные передвижения) в воздухе, используя управляемую реактивную силу истечения высокоэнергетического воздуха.

Система автоматического управления (34) - в зависимости от получаемой текущей информации от системы пространственной ориентации (33) (в общем случае это значения координат в пространстве, линейных и угловых скоростей и ускорений аэродинамического аппарата), информации о состоянии окружающей атмосферы (в общем случае это значения плотности, температуры воздуха, направление и сила ветра) и поставленных задач, управляя оборотами двигателя основного вентилятора (1), двигателя периферийного вентилятора (22), двигателя кольцевого поворотного средства основного крыла (5), двигателя кольцевого поворотного средства рулевого крыла (9), а также двигателями (14, 16, 24, 27), управляющими работой заднего (13) и перепускных клапанов (15, 23, 26), - обеспечивает реализацию траектории движения аппарата в трехмерном пространстве, а также ускоренное или замедленное движение по траектории, в том числе полную остановку - зависание в воздухе.

Важным свойством аппарата является возможность, управляя работой перепускных клапанов (15, 23, 26) и холодильного средства, управлять плотностью и температурой воздуха, тем самым оптимизировать процесс создания подъёмной силы, реактивной тяги, управления движением. Такая возможность позволяет практически не зависеть от высоты старта или полёта. Можно осуществить старт и полет в условиях сильно разряжённого воздуха высокогорий или сильно нагретого воздуха пустынь. За счёт элементов, позволяющих управлять плотностью воздуха во внутреннем пространстве γ, участвующих в процессе создания подъёмной силы и управляющих моментов, появляется возможность уйти от необходимости использования крыльев большого удлинения при осуществления полетов на больших высотах, где воздух достаточно разряжен. За счёт современных систем получения и обработки полётных данных, использую предложенную систему управления движением аппарата, можно снизить скорость сближения с местом посадки до значительно малых величин, обеспечить посадку практически на любую относительно ровную поверхность земли, а также на воду. При этом применяемые указанные системы будут аналогичными как для тяжелых, так и для легких аппаратов.

Кроме того, составляя комплексный аппарат из двух, трёх и более единиц предлагаемого объекта можно создавать грузоподъемные транспортные средства как автоматического управления, так и пилотируемые, с общими системами жизнеобеспечения и управления. Такие грузоподъёмные транспортные средства могут быть снабжены транспортировочными платформами, объединёнными в единую силовую конструкцию, как это показано на фиг. 30.

В отличие от широко распространённых винтокрылых машин вертикального взлёта и посадки в предлагаемом аппарате в значительной степени расширены и облегчены возможности по созданию различных средств спасения и аварийной посадки Для оптимизации некоторых конструктивных характеристик аппарата, с целью устранения недостатков сравниваемых известных аналогов, с помощью стандартных расчетно-теоретических методов и модельных испытаний, принятых в гидроаэромеханике (Физический энциклопедический словарь. Главный редактор А.М. Прохоров. Москва: Советская энциклопедия, 1983. 928 с; Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч. I. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. Учебник для втузов. М., Высшая школа, 1976. - 384 с; Краснов Н. Ф. Аэродинамика. Ч. П. Методы аэродинамического расчета. Учебник для студентов втузов.- 3-е издание, переработанное и дополненное. М., Высшая школа, 1980. 416 с), установлено следующее.

При прочих равных условиях отношение радиуса внутренней поверхности внешнего корпуса к радиусу внутренней поверхности среднего корпуса К.|/К.₂ находится в диапазоне от 1,06 до 1,65; а отношение радиуса внутренней поверхности среднего корпуса к радиусу внутренней поверхности внутреннего

- 8 032549 корпуса В₂/К₃ находится в диапазоне от 1,03 до1,55; см. фиг. 2.

При прочих равных условиях для хорд, находящихся в соответствующих плоскостях симметрии крыл (3, 7) и обладающих максимальными размерами, отношение максимального размера хорды основного поворотного крыла к максимальному размеру хорды рулевого поворотного крыла В₁/В₂ лежите диапазоне от 0,59 до 18,5; см. фиг. 2.

При этом установлено, что заявленные диапазоны являются оптимальными. В иных случаях, вне пределов этих оптимальных диапазонов, эффективность использования энергии воздушного потока, расходуемого на создание результирующей подъемной силы крыла, уменьшается как минимум на 15%.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Аэродинамический аппарат, содержащий корпус, выполненный с возможностью обеспечивать во внутреннем объёме движение газообразной рабочей среды, например воздуха, как по замкнутой траектории, так и по разомкнутой траектории, в зависимости от разных режимов работы аппарата; нагнетатели в виде вентиляторов с приводными двигателями (1, 22); крылья (3, 7); систему для поддержания необходимой температуры рабочей среды (28, 29, 30); узел для связи с внешней средой (13, 14, 26, 27) с отверстиями во внешнем корпусе (17); отличающийся тем, что аппарат имеет внешний корпус (17) в виде сферы; внутри внешнего корпуса (17) установлен жестко связанный с ним крепежными средствами (18) средний корпус (19) в виде сферы с образованием пространства α (альфа) между этими корпусами (17,

19) ; внутри среднего корпуса (19) установлен жестко связанный с ним крепежными средствами (21) внутренний корпус (20) в виде сферы с образованием пространства β (бета) между этими корпусами (19,

20) и пространства γ (гамма) внутри внутреннего корпуса (20); в пространстве γ установлен основной вентилятор с приводным двигателем (1), жестко связанный с внутренним корпусом (20) с помощью опорных средств основного вентилятора (2), основное поворотное крыло (3), выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством основного поворотного крыла (4), снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства основного крыла (5) и опорными элементами основного поворотного крыла (6); со стороны задней кромки основного поворотного крыла (3) на поверхности внутреннего корпуса (20) выполнено отверстие, соединяющее для рабочей среды пространства γ и β и регулируемое с помощью заднего перепускного клапана среднего корпуса (15), управляемого двигателем с приводными узлами заднего перепускного клапана среднего корпуса (16); аппарат снабжен системой для регулирования необходимой температуры рабочей среды со следующим расположением его основных элементов: компрессор холодильного средства (28) жестко установлен в пространстве α, испаритель с дроссельным вентилем холодильного средства (29) жестко установлен в пространстве β, а конденсатор-радиатор холодильного средства (30) жестко установлен на задней наружной полусфере внешнего корпуса (17); вдоль продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем (1) на среднем корпусе (19) соосно жестко установлен периферийный вентилятор с приводным двигателем (22); в пространстве β по продольной оси основного вентилятора с приводным двигателем (1) расположен передний перепускной клапан внутреннего корпуса (23), приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (24), обеспечивающий управление движением воздуха из пространства β в пространство γ, при этом на поверхности внутреннего корпуса (20) установлено уплотнение переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (25), которое для закрытого положения переднего перепускного клапана внутреннего корпуса (23) обеспечивает качественную герметизацию, препятствующую движению воздуха из пространства β в пространство γ; в направлении движения потока рабочей среды, сходящей с основного поворотного крыла (3), вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) на среднем корпусе (19) расположен задний клапан-шторка (13), приводимый в движение двигателем с приводными узлами заднего клапана-шторки (14), служащий для управления движением воздуха из пространства γ в атмосферу; вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) за задним клапаном-шторкой (13) расположено рулевое поворотное крыло (7), выполненное лепестокообразным, с кольцевым поворотным средством рулевого поворотного крыла (8), снабженное двигателем с приводными узлами кольцевого поворотного средства рулевого крыла (9) и опорными средствами рулевого поворотного крыла (10); вдоль продольной оси вентиляторов (1, 22) в пространстве α расположен передний перепускной клапан среднего корпуса (26), приводимый в движение двигателем с приводными узлами переднего перепускного клапана среднего корпуса (27), служащий для управления движением воздуха из внешней атмосферы последовательно в пространство α и γ; в межкорпусных пространствах аппарата расположены средства системы сбора и дренирования конденсата (11), снабженной дренажным насосом с выпускным патрубком (12); в нижней части внешнего корпуса (17) аппарата расположено управляемое шасси (31), снабженное двигателями шасси с приводными узлами (32), при этом для убранного положения шасси в нижней части внешнего корпуса выполнено углубление таким образом, что с помощью углубления шасси (31) в убранном положении встраивается в конструкцию внешнего корпуса, минимизируя аэродинамические сопротивления атмосферного воздуха при обтекании внешнего корпуса (17); в среднем корпусе (19) расположены система пространственной ориентации (33) и система автоматическо

- 9 032549 го управления (34).

2. Аэродинамический аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение радиуса К! внутренней поверхности внешнего корпуса (17) к радиусу К₂ внутренней поверхности среднего корпуса (19) находится в диапазоне 1,06<К₁/К₂<1,65; а отношение радиуса К₂ внутренней поверхности среднего корпуса (19) к радиусу К₃ внутренней поверхности внутреннего корпуса (20) находится в диапазоне 1,03<К₂/К₃<1,55; для хорд, находящихся в соответствующих плоскостях симметрии крыл (3, 7) и обладающих максимальными размерами, отношение максимального размера хорды Βι основного поворотного крыла (3) к максимальному размеру хорды В₂ рулевого поворотного крыла (7) лежит в диапазоне 0,59<Βι/Β₂<18,5.