EA040424B1

EA040424B1 - AIRCRAFT

Info

Publication number: EA040424B1
Application number: EA201800612
Authority: EA
Inventors: Сергей Владимирович Белан
Original assignee: Сергей Владимирович Белан
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2022-05-30

Description

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки.The invention relates to the field of aviation, in particular to the structures of vertical takeoff and landing aircraft.

Известен летательный аппарат, раскрытый в патенте RU 2617014C1, опубликован 19.04.2017, содержащий корпус, выполненный в виде дискообразного тела вращения, в котором в качестве движителя используется кольцевое вентиляторное колесо, создающее главную подъемную силу, и воздушнореактивный двигатель (ВРД) противоположного вращения. Кольцевое вентиляторное колесо имеет управляемые лопатки-лопасти. Летательный аппарат содержит первый лопаточный аппарат, направляющий воздушный поток, и второй лопаточный аппарат, обеспечивающий выпрямление воздушного потока, отбрасываемого вентиляторным колесом. Корпус имеет возможность размещения кабины пилотов, системы управления, системы посадки и привода вентиляторного колеса. Воздушно-реактивный двигатель выполнен с возможностью обеспечения двух функций, включающих генерирование электроэнергии для привода вентиляторного колеса, систем управления и потребителей электроэнергии, установленных на борту летательного аппарата, а также выполнен с возможностью обеспечения дополнительной подъемной тяги на стартовом режиме или в режиме висения при помощи поворотного сопла.An aircraft is known, disclosed in patent RU 2617014C1, published on 04/19/2017, containing a body made in the form of a disk-shaped body of rotation, in which an annular fan wheel is used as a propeller, which creates the main lift, and an air-jet engine (WJE) of opposite rotation. The annular fan wheel has controlled blades. The aircraft contains the first vane device directing the air flow and the second vane device providing straightening of the air flow discarded by the fan wheel. The housing has the ability to accommodate the cockpit, control system, landing system and fan wheel drive. The air-jet engine is configured to provide two functions, including the generation of electricity to drive the fan wheel, control systems and power consumers installed on board the aircraft, and is also configured to provide additional lifting thrust in the launch mode or in the hover mode using a rotary nozzles.

Недостатком аналога является присутствие момента вращения всего аппарата, обусловленное применением в качестве движителя одного вентиляторного колеса, для компенсации вращения которого применяется воздушно-реактивный двигатель, что значительно осложняет конструкцию аппарата и, следовательно, снижает его надёжность.The disadvantage of analogue is the presence of the moment of rotation of the entire apparatus, due to the use of one fan wheel as a propeller, to compensate for the rotation of which an air-jet engine is used, which greatly complicates the design of the apparatus and, therefore, reduces its reliability.

Заявляемое изобретение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков, а именно создание относительно простого, надёжного и недорогого в производстве и эксплуатации летательного аппарата вертикального взлёта и посадки.The claimed invention is aimed at eliminating the above drawbacks, namely the creation of a relatively simple, reliable and inexpensive vertical takeoff and landing aircraft in production and operation.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом летательном аппарате в качестве движителя применяется вентиляторное колесо, внутри статора которого размещен корпус, соединённый с движителем через поворотный механизм, а два соосных ротора, снабжённых радиальными управляемыми лопастями, вращаются в противоположных направлениях.The problem is solved by the fact that in the claimed aircraft, a fan wheel is used as a propeller, inside the stator of which there is a housing connected to the propeller through a rotary mechanism, and two coaxial rotors equipped with radial controlled blades rotate in opposite directions.

На фиг. 1 показан общий вид летательного аппарата.In FIG. 1 shows a general view of the aircraft.

На фиг. 2 показан разрез движителя заявляемого летательного аппарата, где:In FIG. 2 shows a section of the propeller of the claimed aircraft, where:

- статор,- stator,

- передний ротор,- front rotor

- задний ротор,- rear rotor

- подвес роторов,- suspension of rotors,

- лопасть,- blade,

- автомат перекоса,- swashplate,

- механизм поворота лопасти.- blade turning mechanism.

На фиг. 3 показан разрез и взаимное расположение корпуса и движителя при горизонтальном движении летательного аппарата, где 9 - поворотный механизм корпуса.In FIG. 3 shows the section and the relative position of the hull and propulsion unit during the horizontal movement of the aircraft, where 9 is the hull rotary mechanism.

На фиг. 4 показан разрез и взаимное расположение корпуса и движителя при вертикальном движении летательного аппарата (взлёте и посадке).In FIG. 4 shows the section and the relative position of the hull and propulsion unit during the vertical movement of the aircraft (takeoff and landing).

Устройство летательного аппарата.Aircraft device.

Летательный аппарат состоит из корпуса 1 и движителя в форме вентиляторного колеса. Корпус выполнен обтекаемой формы, в частности округлой или вытянутой, при виде сверху.The aircraft consists of a body 1 and a propeller in the form of a fan wheel. The body is made of a streamlined shape, in particular rounded or elongated, when viewed from above.

В предпочтительном варианте корпус выполнен с профилем, создающим дополнительную подъёмную силу по мере набора летательным аппаратом горизонтальной скорости.In the preferred embodiment, the hull is made with a profile that creates additional lift as the aircraft gains horizontal speed.

Корпус летательного аппарата вмещает органы управления, грузовой отсек, отсек для пилота и пассажиров, а также технический отсек, в котором могут быть расположены двигатель, топливные баки, аккумуляторы и т.д. Отсек для пилота и пассажиров, как и грузовой отсек, могут быть выполнены катапультируемыми. Для посадки летательного аппарата на наклонную или рельефную поверхность корпус может быть снабжен телескопическими стойками - шасси, которые предпочтительно управляются, например, с использованием дальномеров.The body of the aircraft contains controls, a cargo compartment, a compartment for the pilot and passengers, as well as a technical compartment in which the engine, fuel tanks, batteries, etc. can be located. The compartment for the pilot and passengers, as well as the cargo compartment, can be made ejectable. For landing an aircraft on an inclined or embossed surface, the body can be equipped with telescopic struts - landing gear, which are preferably controlled, for example, using rangefinders.

Движитель состоит из статора 2, внутренний диаметр которого превышает внешний размер корпуса, соединённого с корпусом через поворотный механизм кабины 9, и двух роторов, переднего 3 и заднего 4, снабжённых радиальными управляемыми лопастями 6. Статор и роторы в сборе имеют каплевидный обтекаемый профиль, создающий дополнительную подъёмную силу во время набора летательным аппаратом горизонтальной скорости. Роторы свободно вращаются на статоре и закреплены на нём, например, посредством системы магнитной левитации (по принципу поезда на магнитной подушке), когда в роторах установлены постоянные магниты, например неодимовые, а в статоре - система соленоидов, управляемых электроникой для поддержания нужного зазора. Также подвес роторов может быть осуществлён с помощью пневматической подушки (подобно пневматическому подшипнику с подачей воздуха под давлением). Лопасти выполнены управляемыми и закреплены на роторах посредством механизма поворота лопасти (8), позволяющего изменять угол атаки лопасти, а также механизма аппарата перекоса лопастей (7). В предпочтительном варианте каждая из лопастей снабжена сервоприводом для вращения вокруг своей оси и изменения угла атаки лопасти, причём управление сервоприводами производит сис- 1 040424 тема стабилизации летательного аппарата.The propeller consists of a stator 2, the inner diameter of which exceeds the outer size of the housing, connected to the housing through the cockpit rotary mechanism 9, and two rotors, front 3 and rear 4, equipped with radial controlled blades 6. The stator and rotors as an assembly have a drop-shaped streamlined profile that creates additional lift while the aircraft is gaining horizontal speed. The rotors rotate freely on the stator and are fixed on it, for example, by means of a magnetic levitation system (according to the principle of a magnetic cushion train), when permanent magnets, such as neodymium, are installed in the rotors, and a system of solenoids controlled by electronics is installed in the stator to maintain the desired gap. Also, the suspension of the rotors can be carried out using an air cushion (similar to a pneumatic bearing with air supply under pressure). The blades are controlled and fixed on the rotors by means of the blade rotation mechanism (8), which allows changing the angle of attack of the blade, as well as the mechanism of the blade warp device (7). In a preferred embodiment, each of the blades is equipped with a servo drive for rotation around its axis and changing the angle of attack of the blade, and the servo drives are controlled by the aircraft stabilization system.

При эксплуатации летального аппарата возможно разрушение или значительное повреждение одной из лопастей и, как следствие, разбалансировка ротора. Для предотвращения разбалансировки предпочтительно лопасти выполнить с возможностью удаления, например отстрела (при помощи, например, пиропатрона), как разрушенной лопасти, так противолежащей ей лопасти для сохранения балансировки ротора.During the operation of the aircraft, destruction or significant damage to one of the blades is possible and, as a result, the imbalance of the rotor. To prevent imbalance, it is preferable to make the blades with the possibility of removing, for example, shooting (using, for example, a squib), both the destroyed blade and the blade opposite to it to maintain the rotor balance.

В варианте исполнения в корпусе и внутри вентиляторного колеса предусмотрены пространства для размещения аккумуляторов.In the version, there are spaces in the housing and inside the fan wheel for accumulators.

Принцип работы летательного аппарата.The principle of operation of the aircraft.

Перед взлётом движитель находится в горизонтальном положении, как и корпус летательного аппарата. Роторы начинают вращаться в противоположных направлениях, при этом лопасти создают подъёмную силу, и летательный аппарат начинает вертикальное движение. При наборе заданной (безопасной) высоты изменяется угол между плоскостью корпуса и плоскостью движителя, причём передняя часть движителя опускается, а задняя часть движителя поднимается, а угол изменяется за счет изменения тяги на передней и задней частях движителя путём изменения угла атаки лопастей, при этом поворотный механизм корпуса приводит корпус в заданное положение. При таком повороте движителя он создаёт горизонтальный вектор тяги, и летательный аппарат начинает горизонтальное движение. По мере набора горизонтальной скорости движитель всё больше и больше переводится в вертикальное положение, а подъёмная сила создаётся в основном формой корпуса и движителя. Тяга движителя изменяется как поворотом лопастей, изменением угла атаки, так и изменением частоты вращения роторов. Повороты летательного аппарата осуществляются путём изменения угла атаки соответствующих лопастей с созданием большей тяги на одной из сторон, т.е. для поворота, например, направо создаётся большая тяга лопастями в левой части относительно кабины. Для зависания летательного аппарата над одной точкой движитель возвращается в горизонтальное положение, исключая, тем самым, горизонтальный вектор тяги. Посадка летательного аппарата производится в основном вертикально, т.е. после снижения горизонтальной скорости до зависания с последующим уменьшением тяги движителя вплоть до посадки.Before takeoff, the propeller is in a horizontal position, as is the body of the aircraft. The rotors begin to rotate in opposite directions, while the blades create lift, and the aircraft begins to move vertically. When climbing a given (safe) height, the angle between the plane of the hull and the plane of the propulsor changes, and the front part of the propulsion unit lowers, and the rear part of the propulsion unit rises, and the angle changes due to a change in thrust on the front and rear parts of the propulsion unit by changing the angle of attack of the blades, while turning the housing mechanism brings the housing to a predetermined position. With such a turn of the mover, it creates a horizontal thrust vector, and the aircraft begins horizontal movement. As the horizontal speed is gained, the propulsor is more and more transferred to the vertical position, and the lifting force is created mainly by the shape of the hull and propeller. The propulsion thrust is changed both by turning the blades, by changing the angle of attack, and by changing the rotational speed of the rotors. The turns of the aircraft are carried out by changing the angle of attack of the corresponding blades with the creation of more thrust on one of the sides, i.e. to turn, for example, to the right, a large thrust is created by the blades on the left side relative to the cabin. To hover the aircraft over one point, the propeller returns to a horizontal position, thereby excluding the horizontal thrust vector. The landing of the aircraft is carried out mainly vertically, i.e. after a decrease in horizontal speed until hovering, followed by a decrease in propulsion thrust until landing.

Изменение частоты вращения роторов может быть микшировано с изменением угла атаки лопастей в автоматическом режиме в различных пропорциях (вариациях?), в том числе нелинейных или прогрессивных для разных режимов полета. Так, в режиме взлёта и посадки целесообразнее использовать малый шаг и большие обороты, а при переходе в горизонтальное движение шаг может увеличиваться до значительно больших значений, так как скорость набегающего потока растет. При необходимости, как взлёт так и посадка летательного аппарата возможны с ненулевой горизонтальной скоростью, для чего возможно использование телескопических стоек-шасси. При определённых скоростях вращения роторов возникает гироскопический эффект, добавляющий общей устойчивости летательному аппарату, поэтому при взлёте и посадке предпочтительно использовать повышенные обороты роторов.Changing the rotational speed of the rotors can be mixed with changing the angle of attack of the blades in automatic mode in various proportions (variations?), including non-linear or progressive ones for different flight modes. So, in the take-off and landing mode, it is more expedient to use a small step and high revolutions, and when switching to horizontal motion, the step can increase to much larger values, since the speed of the oncoming flow increases. If necessary, both takeoff and landing of the aircraft are possible with a non-zero horizontal speed, for which it is possible to use telescopic landing gear. At certain speeds of rotation of the rotors, a gyroscopic effect occurs, which adds to the overall stability of the aircraft, therefore, during takeoff and landing, it is preferable to use increased rotor speeds.

Изменение угла атаки лопасти производится любыми известными устройствами, например механизмом аппарата перекоса лопастей, рабочий орган которого может быть любой известной конструкции: механическим, гидравлическим, пневматическим, выполненным на сервоприводах и т.д.The angle of attack of the blade is changed by any known device, for example, the mechanism of the blade swashplate, the working body of which can be of any known design: mechanical, hydraulic, pneumatic, made on servo drives, etc.

Управление углом атаки лопастей осуществляется автоматом перекоса. Он, в свою очередь, может быть либо механическим, либо электромеханическим, с использованием электронно-управляемых сервоприводов, установленных на каждую лопасть. Источником энергии для вращения роторов может быть любой известный двигатель (внутреннего сгорания, реактивный, электрический и т.д.), размещенный как в корпусе, так и в статоре. Передача момента вращения от двигателя к роторам обеспечивается при помощи любого известного устройства (приводные валы, в том числе карданные, шестерни, цепной привод и т.д.). Источником энергии для механизма аппарата перекоса лопастей, механизма поворота лопастей, механизма поворота кабины и прочих может служить либо основной двигатель, приводящий в движение роторы, либо любые подходящие вспомогательные двигатели, в том числе и электрогенератор, установленный на основном двигателе, при использовании сервоприводов.The angle of attack of the blades is controlled by a swashplate. It, in turn, can be either mechanical or electromechanical, using electronically controlled servos mounted on each blade. The source of energy for the rotation of the rotors can be any known engine (internal combustion, jet, electric, etc.), located both in the housing and in the stator. The transmission of torque from the engine to the rotors is provided using any known device (drive shafts, including cardan shafts, gears, chain drive, etc.). The power source for the blade warp mechanism, blade turning mechanism, cabin turning mechanism and others can be either the main engine driving the rotors, or any suitable auxiliary engines, including an electric generator mounted on the main engine when using servo drives.

В предпочтительном варианте исполнения двигатель, приводящий в движение роторы, выполнен в виде электродвигателя на постоянных магнитах, расположенных в роторах, и соленоидов, создающих вращающееся магнитное поле, расположенных в статоре. В случае использования аккумуляторов они могут быть расположены как в кабине, так и в соответствующих полостях статора и роторов.In a preferred embodiment, the motor driving the rotors is made in the form of a permanent magnet motor located in the rotors and solenoids that create a rotating magnetic field located in the stator. In the case of using batteries, they can be located both in the cabin and in the corresponding cavities of the stator and rotors.

Курсовая устойчивость летательного аппарата обеспечивается системой стабилизации любой известной конструкции, корректирующей скорость роторов, положение лопастей и самого движителя в зависимости от внешних воздействий (ветер, перемещение центра тяжести внутри кабины и т.д.).The directional stability of the aircraft is provided by a stabilization system of any known design, which corrects the speed of the rotors, the position of the blades and the propeller itself, depending on external influences (wind, displacement of the center of gravity inside the cabin, etc.).

Управление летательным аппаратом может осуществляться как непосредственно пилотом, так и в автоматическом режиме: беспилотном либо с применением дистанционного управления.The aircraft can be controlled both directly by the pilot and in automatic mode: unmanned or using remote control.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание надёжного в эксплуатации летательного аппарата с вентиляторным колесом относительно простой конструкции. Неожиданным результатом применения двух соосных роторов является проявление гироскопического эффекта, значительно повышающего курсовую устойчивость летательного аппарата.The technical result of the claimed invention is the creation of a reliable aircraft with a fan wheel of a relatively simple design. An unexpected result of the use of two coaxial rotors is the manifestation of a gyroscopic effect, which significantly increases the directional stability of the aircraft.

Claims

CLAIM

1. An aircraft containing a body made in the form of a disk-shaped body of revolution, and the body has the ability to accommodate the cockpit, control system, landing system and propulsion drive;

a ring-shaped propeller connected to the housing, consisting of a fan wheel stator, the inner diameter of which exceeds the outer size of the housing, and two coaxial rotors equipped with radial controlled blades;

at least one engine, characterized in that the body is connected to the propulsion unit through a rotary mechanism that allows tilting the plane of the propulsor relative to the plane of the body, and the axis of the rotary mechanism is parallel to the horizon and perpendicular to the direction of the horizontal movement of the aircraft, and the engine ensures the rotation of the rotors of the propulsion unit and the inclination of the propulsion unit relative to the hull.

2. The aircraft according to claim 1, characterized in that the body has a profile that creates additional lift during the aircraft gaining horizontal speed.

3. The aircraft according to claims 1, 2, characterized in that the propulsion assembly has a streamlined profile that creates additional lift when the aircraft gains horizontal speed.

4. The aircraft according to claims 1-3, characterized in that the compartment for the pilot and passengers, as well as the cargo compartment, are made ejectable.

5. The aircraft according to claims 1-4, characterized in that the cabin is equipped with telescopic racks - landing gear.

6. The aircraft according to claims 1 to 5, characterized in that the blades are made with the possibility of removal (shooting).

7. The aircraft according to claims 1 to 6, characterized in that the motor driving the rotors is made in the form of a permanent magnet motor located in the rotors and solenoids that create a rotating magnetic field located in the stator.

8. Aircraft according to claims 1 to 7, characterized in that spaces are provided in the hull and propulsion for accumulators.