PL220933B1 - Samolot pionowego startu i lądowania - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest samolot pionowego startu i lądowania, a zwłaszcza bezzałogowy samolot pionowego startu i lądowania mający pojedynczy wzdłużny kadłub wyposażony w silnik, skrzydło składające się z części środkowej połączonej z kadłubem w jego części przedniej, usterzenie połączone z kadłubem w jego części ogonowej oraz zespół śmigłowy umieszczony z przodu i współosiowo do osi wzdłużnej kadłuba oraz połączony z silnikiem, który otoczony jest cylindryczną obudową o profilu aerodynamicznym, zamocowaną do części środkowej skrzydła, o średnicy mniejszej od rozpiętości części środkowej skrzydła.

Ze stanu techniki znanych jest wiele samolotów pionowego startu i lądowania (ang. Vertical Take-Off and Landing - VTOL) oraz samolotów o krótkim starcie i dobiegu (ang. Short Take-Off and Landing - STOL).

Prawdopodobnie pierwszą konstrukcję samolotu typu VTOL, którą zrealizowano w praktyce ujawniono w 1955 r. w opisie patentowym US 2712420. Samolot ten posiada dwa przeciwbieżne śmigła z przodu kadłuba, przy czym na końcach głównego skrzydła o dużym kącie dwupłaszczyznowym oraz na końcu usterzenia znajdują się zastrzały stanowiące podwozie samolotu w pozycji pionowej. Z uwagi na fakt, że usterzenie pionowe i poziome znajdują się w części ogonowej kadłuba i nie znajdują się w obszarze strugi pozaśmigłowej, podczas zawisu samolot ten może jednak stwarzać problemy ze sterownością.

W opisie patentowym US 5289994 ujawniono konstrukcję samolotu/śmigłowca w układzie „kaczki” (usterzenie przed skrzydłem), który startuje i ląduje pionowo jak śmigłowiec wykorzystując wirnik o dużej średnicy a lot poziomy wykonuje według zasad lotu samolotu w oparciu o śmigło współosiowe do wirnika lecz o mniejszej średnicy. Podczas startu i lądowania obraca się wirnik, śmigło jest zahamowane, a jego łopaty ustawione są pod kątem zapewniającym minimalny opór (w tzw. „chorągiewkę”); na etapie przejściowym pomiędzy lotem pionowym a poziomym zaczyna pracować śmigło, a hamowany jest wirnik; zaś podczas lotu poziomego zahamowany jest wirnik, a jego łopaty ustawione są w chorągiewkę. Podczas lądowania procesy powyższe odbywają się w odwrotnej kolejności. W opisie tym nie ujawniono jednak w jaki sposób skutecznie przeciwdziałać momentowi obrotowemu wirnika podczas startu dla zachowania stateczności podłużnej takiego statku powietrznego.

W opisie patentowym US 5086993 ujawniono z kolei samolot typu VTOL w układzie „bezogonowca” (bez usterzenia) mający skośne skrzydło i kadłub, na którego usterzeniu ogonowym znajdują się podpory dla pionowego startu oraz dwa osłonięte śmigła przeciwbieżne. Skrzydło, za wyjątkiem odcinka wewnątrz cylindra, ma możliwość obrotu względem kadłuba, tworząc kąt pomiędzy wektorem ciągu od śmigła i wektorem siły nośnej na skrzydle. Brak usterzenia może jednak prowadzić do problemów ze statecznością takiego statku powietrznego.

W międzynarodowej publikacji WO 2008007147 ujawniono samolot typu STOL, którego konstrukcja pozwala na zmianę środka ciężkości samolotu względem jego osi wzdłużnej podczas lotu. Samolot ten ma skrzydło przednie, skrzydło tylne, kadłub, środki do wytwarzania ciągu oraz element uchylny (wahadło) połączony obrotowo z kadłubem i pozwalający na zmianę środka ciężkości pomiędzy pozycją pierwszą, w której środek ciężkości samolotu jest przesunięty względnie daleko do przodu pozwalając na większą szybkość samolotu, a pozycją drugą, w której środek ciężkości samolotu jest przesunięty względnie daleko do tyłu dla zapewnienia lotu wolnego. Samolot tego typu nie pozwala jednak na pionowy start.

Z kolei opis patentowy US 2578578 ujawnia konstrukcję samolotu w układzie kaczki (usterzenie przed skrzydłem), która jak podano, ma możliwość zarówno startu poziomego jak i pionowego, dzięki zastosowaniu podwozia połączonego obrotowo z kadłubem i wyposażonego w układ zastrzałów dla posadowienia samolotu w pozycji pionowej. Przedstawiona konstrukcja nie wydaje się być jednak zdatna do startu pionowego z uwagi na za zbyt małą siłę ciągu generowaną przez dwa śmigła, których promień nie może być większy od wysokości goleni podwozia, w przypadku gdy samolot jest posadowiony poziomo.

W międzynarodowej publikacji WO 2007/108794 ujawniono samolot pionowego startu i lądowania typu FBW (ang. Fly By Wire). Samolot ten ma dwa osłonięte śmigła oraz żyroskopowy dysk stabilizacyjny umieszczony w kadłubie, który dzięki odpowiedniej masie i/lub prędkości kątowej zapewnia odpowiedni moment pędu dla żyroskopowej stabilizacji samolotu w poszczególnych fazach lotu. W jednym z wariantów tego samolotu kadłub jest połączony na stałe z osłoniętymi śmigłami, w innej śmigła te mają możliwość obrotu względem kadłuba. Strumienie powietrza od nisko zawieszonych

PL 220 933 B1 śmigieł w osłonach mogą jednak prowadzić przed startem do efektu „przyklejania się”, jaki występuje w samolotach typu VTOL oraz w konstrukcjach rakietowych. Podobną konstrukcję samolotu o żyroskopowej stabilizacji ujawnia publikacja WO 00/15497.

W konstrukcjach opartych na rozwiązaniu stabilizacji żyroskopowej, może występować nadmierna nadwyżka stateczności, która z uwagi na bezwładność układu może powodować obniżenie zwrotności samolotu prowadząc do rozciągnięcia manewrów w czasie i przestrzeni. Dodatkowo zmiana prędkości obrotowej śmigła lub innych parametrów lotu wiąże się ze zmianą prędkości obrotowej żyroskopu co z reguły wymusza stosowanie bardziej zaawansowanych mechanizmów sterowania. Ponadto zastosowanie żyroskopu powoduje zwiększenie masy całkowitej samolotu. Zgłoszenie GB 2468917A ujawnia samolot z ulepszonym układem generowania ciągu i siły nośnej mający co najmniej jedną jednostkę napędową zawierającą dwa przeciwbieżne śmigła o niezależnym napędzie otoczone obudową o profilu aerodynamicznym. Za jednostką napędową znajdują się elementy kształtowe, które mogą stanowić część skrzydeł i które umożliwiają zakrzywianie strug zaśmigłowych pod dużym kątami zapewniając ciąg pionowy konieczny do pionowego startu i lądowania.

W brytyjskim opisie patentowym GB 2468917A ujawniono konstrukcję samolotu pionowego startu i lądowania, zawierającą m. in. poziome skrzydło składające się z części środkowej, ograniczonej po obu stronach pionowymi skrzydłami pełniącymi jednocześnie funkcję łączników łączących dwie części końcowe z częścią środkową. Do części środkowej połączonej z kadłubem, między pionowymi łącznikami, zamocowane są klapy oraz cylindryczna obudowa zespołu śmigłowego. Średnica obudowy jest mniejsza od rozpiętości części środkowej skrzydła.

Jeszcze inne konstrukcje samolotów typu STOL i VTOL ujawniono w opisach WO 2004/033295 i US 5062587.

Celem wynalazku jest dostarczenie samolotu pionowego startu i lądowania, który cechowałby się prostotą konstrukcji i układem aerodynamicznym zapewniającym automatyczną stateczność w locie bez konieczności stosowania skomplikowanych mechanizmów sterowania.

Istotą wynalazku jest samolot pionowego startu i lądowania o konstrukcji wskazanej na wstępie, charakteryzujący się tym, że skrzydło składa się z dwóch części końcowych o rozwartym kącie, a usterzenie znajduje się w obszarze strugi pozaśmigłowej i posiada na swych końcach elementy podwoziowe.

Korzystne jest, aby część środkowa skrzydła była wyposażona w co najmniej dwie niezależne od siebie klapolotki rozmieszczone symetrycznie względem osi wzdłużnej samolotu.

Korzystne jest ponadto, aby każda część końcowa skrzydła była wyposażona w co najmniej jedną klapolotkę odchyloną w dół, bądź w górę, niezależnie od kąta odchyłu innych klapolotek.

Samolot według wynalazku ma klasyczny układ aerodynamiczny z usterzeniem poziomym i pionowym, co zapewnia automatyczną stateczność bez dodatkowych mechanizmów lub układów sterowania. Zwiększeniu stateczności podłużnej i poprzecznej w warunkach turbulencji lub termiki sprzyja przy tym konstrukcja skrzydła, którego części końcowe (skrzydła zewnętrzne) są w rzucie z przodu rozwarte w kształcie litery „V”, co jest znanym rozwiązaniem eliminującym powstające zaburzenia. Cylindryczna obudowa śmigieł wytwarza dodatkową siłę nośną podczas lotu poziomego i zwiększa stateczność, sterowność i zwrotność podczas pionowego startu i lądowania, podczas lotu poziomego oraz podczas zawisu. Ponadto dzięki temu, że usterzenie znajduje się w obszarze strugi pozaśmigłowej jest ono podczas lotu (zarówno w locie poziomym jak i pionowym) opływane przez strumień powietrza od śmigła, co zapewnia bardzo dobrą sterowność samolotu w każdej fazie lotu. Na przykład podczas lotu wiszącego usterzenie samolotu zapewnia mały zakręt korekcyjny względem osi wzdłużnej samolotu.

Podczas startu i lądowania, w locie pionowym i w trybach przejściowych od lotu pionowego do poziomego i odwrotnie w sterowaniu samolotem biorą udział wszystkie klapolotki, natomiast podczas lotu poziomego w sterowaniu biorą udział jedynie klapolotki części końcowych skrzydła, które umożliwiają manewrowanie w locie poziomym bez zmniejszenia siły nośnej.

Wynalazek zaprezentowano w korzystnym przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 przedstawia samolot według wynalazku w widoku aksonometrycznym, a fig. 2 przedstawia przekrój samolotu względem osi wzdłużnej O-O z rysunku fig. 1 (dla lepszej czytelności rysunku umownie nie przedstawiono tu kadłuba).

Przedstawiony na rysunku fig. 1 samolot 1 według wynalazku ma wzdłużny kadłub 2 połączony w przedniej części ze skrzydłem 3 w klasycznym układzie średniopłata. Skrzydło 3 składa się z części środkowej 31, połączonej z kadłubem 2, oraz dwóch połączonych z częścią środkową 31 części

PL 220 933 B1 końcowych 32a i 32b. Powierzchnia cięciw każdej części końcowej 32a, 32b jest odchylona w górę względem powierzchni przechodzącej przez cięciwy części środkowej 31 skrzydła 3.

Krawędź spływu skrzydła 3 stanowią klapolotki 311 i 321 odchylane względem powierzchni skrzydła zarówno w górę jak i w dół. Położenie każdej z klapolotek 311a, 311b (niepokazanej na rysunku), 321a i 321b względem skrzydła 3 jest niezależnie kontrolowane przez niepokazany na rysunku układ elektromechaniczny i/lub elektrohydrauliczny sterowany niezależnie przykładowo manualnie lub przez automatyczny układ kontroli lotu samolotu. Zastosowany układ autonomicznie poruszanych klapolotek w szczególności ułatwia wykonanie samolotem według wynalazku przejścia z lotu pionowego do lotu poziomego i odwrotnie.

Kadłub 2 samolotu 1 zawiera niepokazany na rysunku silnik odpowiednio sprzężony z zespołem śmigłowym 4. W tym przykładzie wykonania zespół śmigłowy 4 składa się z dwóch obracających się przeciwbieżnie i współosiowych śmigieł (na rysunku zobrazowano to w uproszczeniu jako jedno śmigło) i zainstalowany jest na przednim końcu kadłuba 2 współosiowo względem jego osi wzdłużnej O-O. Zespół śmigieł 4 umieszczony jest w cylindrycznej obudowie 5, której obwodnica tworzy profil aerodynamiczny, i która zamocowana jest do przedniej części środkowej części 31 skrzydła 3 współosiowo względem osi wzdłużnej O kadłuba 2 samolotu 1. Średnica obudowy 5 jest w tym przykładzie nieco mniejsza od rozpiętości części środkowej 31 skrzydła 3. Korzystne jest przy tym, aby jej średnica nie była większa od rozpiętości części środkowej 31 skrzydła 3.

Część ogonowa kadłuba 2 zakończona jest usterzeniem 6 w formie trzech nieruchomych powierzchni 61, 62, 63 wyposażonych w trzy niezależnie kontrolowane, ruchome powierzchnie sterujące. Powierzchnie 61, 62, 63 rozmieszczone są równokątnie z przesunięciem kątowym około 120°, przy czym powierzchnia 63 zorientowana prostopadle do powierzchni środkowej części 31 skrzydła 3 tworzy usterzenie pionowe zaś pozostałe powierzchnie 61, 62 tworzą usterzenie poziome.

Usterzenie 6 wyposażone jest na końcach w elementy podwoziowe, na przykład odpowiednie wzmocnienia, amortyzatory, etc., umożliwiające bezpieczne posadowienie samolotu w pozycji pionowej podczas startu i lądowania. Konstrukcja takich elementów jest oczywista, dlatego też nie zostały one zobrazowane na załączonym rysunku.

Na rysunku fig. 2 przedstawiono przekrój poprzeczny środkowej części 31 skrzydła 3 samolotu 1 z rysunku fig. 1 z uwidocznieniem zewnętrznego zarysu obudowy 5 zespołu śmigłowego 4. Na rysunku tym wyraźnie widoczny jest aerodynamiczny profil zewnętrzny obudowy 5 oraz przybliżony zakres możliwych przemieszczeń klapolotek 311a (i 311b) środkowej części 31 skrzydła 3.

Dla znawcy dziedziny oczywistymi będą przeróżne modyfikacje przedstawionego tu przykładu wykonania samolotu, dotyczące na przykład liczby i konfiguracji klapolotek, struktury usterzenia, układów sterowania, etc. Samolot według wynalazku może też, po wyposażeniu w podwozie klasyczne, startować i lądować poziomo z przyziemieniem, co nie zostało jednak bliżej opisane. Samolot według wynalazku może być również załogowy bądź też stanowić samolot bezzałogowy, korzystnie miniaturowy. Przedstawionego przykładu wykonania nie należy więc w żadnym przypadku traktować jako wyczerpującego i ograniczającego prezentowany wynalazek, którego istota została scharakteryzowana w zastrzeżeniach patentowych.

Claims (3)

1. Samolot pionowego startu i lądowania, a zwłaszcza bezzałogowy samolot pionowego startu i lądowania mający pojedynczy wzdłużny kadłub wyposażony w silnik, skrzydło składające się z części środkowej połączonej z kadłubem w jego części przedniej, usterzenie połączone z kadłubem w jego części ogonowej oraz zespół śmigłowy umieszczony z przodu i współosiowo do osi wzdłużnej kadłuba oraz połączony z silnikiem, który otoczony jest cylindryczną obudową o profilu aerodynamicznym, zamocowaną do części środkowej skrzydła, o średnicy mniejszej od rozpiętości części środkowej skrzydła, znamienny tym, że skrzydło (3) składa się z dwóch części końcowych (32a, 32b) o rozwartym kącie dwupłaszczyznowym; a usterzenie (6) znajduje się w obszarze strugi pozaśmigłowej i posiada na swych końcach elementy podwoziowe.

2. Samolot według zastrz. 1, znamienny tym, że część środkowa (31) skrzydła (3) jest wyposażona w co najmniej dwie niezależne od siebie klapolotki (311a) rozmieszczone symetrycznie względem osi wzdłużnej samolotu.

PL 220 933 B1

3. Samolot według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każda część końcowa (32a, 32b) skrzydła (3) jest wyposażona w co najmniej jedną klapolotkę (321a, 321b), odchyloną w dół bądź w górę niezależnie od kąta odchyłu innych lotek.