RU2095283C1

RU2095283C1 - Vertical take-off flying vehicle

Info

Publication number: RU2095283C1
Application number: RU95119665A
Authority: RU
Inventors: Николай Федорович Хорьков
Original assignee: Николай Федорович Хорьков
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: aeronautical engineering and space engineering. SUBSTANCE: flying vehicle is made in form of toroidal round body bounded with flat surfaces at the top and at bottom and is provided with twin jet engine modules movable in two directions. Motion of modules over meridional guides and their turn relative to axes perpendicular to surface of toroidal body ensure control of flight and change of modes of operation of engines makes it possible to change and control position of modules over guides. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной и космической технике и может быть использовано при проектировании и обработке летательных аппаратов с вертикальным взлетом, предназначенных для решения широкого круга задач при полетах в атмосфере и в космосе, при этом главной задачей изобретения является повышение эффективности управления полетом летательного аппарата. The invention relates to aviation and space technology and can be used in the design and processing of aircraft with vertical take-off, designed to solve a wide range of problems when flying in the atmosphere and in space, the main objective of the invention is to increase the efficiency of flight control of the aircraft.

Известно устройство летательного аппарата с вертикальным взлетом [1] Известный летательный аппарат является сходным с предлагаемым по наличию корпуса, реактивных двигателей, устройств изменения положения двигателей и системы управления. Управление известным летательным аппаратом по курсу, тангажу и крену осуществляется за счет рулевых двигателей, которые поворачиваются относительно узлов подвески их к аппарату ко командам, передаваемым от системы управления. A device for an aircraft with vertical take-off [1] A known aircraft is similar to that proposed in the presence of a hull, jet engines, devices for changing the position of engines and a control system. The known aircraft is controlled by heading, pitch and roll due to the steering engines, which rotate relative to their suspension nodes to the device to the commands transmitted from the control system.

Недостатком известного аналога является то, что его корпус выполнен цилиндрическим (сигарообразным) и имеет относительно большую длину. Вследствие этого при полете в атмосфере он не создает подъемной силы. При действии управляющих усилий и моментов, возникающих за счет быстрого разворота в атмосфере, возникают большие перегрузки, и длинный корпус может разрушиться. Вследствие этого маневр при полете такого летательного аппарата ограничен. Управление полетом с помощью маломощных по отношению к основным маршевым отклоняемых рулевых реактивных двигателей не является эффективным, так как невозможно обеспечить высокое быстродействие управления полетом. A disadvantage of the known analogue is that its body is cylindrical (cigar-shaped) and has a relatively large length. As a result, when flying in the atmosphere, it does not create lift. Under the action of control forces and moments arising from a quick turn in the atmosphere, large overloads occur, and a long body can collapse. As a result of this, maneuver during the flight of such an aircraft is limited. Flight control using low power relative to the main marching deflectable steering jet engines is not effective, since it is impossible to provide high-speed flight control.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является выбранным [2] У прототипа и заявляемого изобретения являются следующие сходные существенные признаки: наличие корпуса, реактивных двигателей, устройств изменения положения двигателей и системы управления. Управление полетом такого летательного аппарата осуществляется по командам системы управления за счет поворота сопел разгонных реактивных двигателей на первой ступени и разности тяг основных маршевых двигателей на второй ступени, а также за счет работы вспомогательных управляющих двигателей. The closest in technical essence to the claimed invention is selected [2]. The prototype and the claimed invention have the following similar essential features: the presence of a housing, jet engines, devices for changing the position of engines and a control system. The flight control of such an aircraft is carried out according to the commands of the control system due to the rotation of the nozzles of the accelerating jet engines in the first stage and the difference in the thrusts of the main marching engines in the second stage, as well as due to the operation of auxiliary control engines.

Недостатками известного летательного аппарата с вертикальным взлетом являются: сложность эксплуатации, обусловленная трудностями подготовки и технического обслуживания аппарата в связи с наличием на нем широкой номенклатуры двигателей, оборудования, аппаратуры и использования различных видов топлива; ограниченный диапазон азимутов пуска аппаратов (необходимо предварительное нацеливание); низкое аэродинамическое качество такого летательного аппарата в широком диапазоне скоростей полета, ограниченный маневр и низкое быстродействие управления полетом; весьма продолжительное время торможения, обусловленное отсечкой тяги или выключением основных маршевых двигателей, а значит, отсутствие реверсирования смены направления полета на обратное. The disadvantages of the known aircraft with vertical take-off are: the complexity of operation due to difficulties in the preparation and maintenance of the device due to the presence on it of a wide range of engines, equipment, equipment and the use of various types of fuel; limited range of azimuths for launching vehicles (preliminary targeting is necessary); low aerodynamic quality of such an aircraft in a wide range of flight speeds, limited maneuver and low speed flight control; a very long braking time due to traction cut-off or turning off the main marching engines, which means that there is no reversal of the change in flight direction.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности управления полетом за счет быстродействия управления. An object of the invention is to increase the efficiency of flight control due to the speed of management.

Для решения поставленной задачи изобретение содержит летательный аппарат, состоящий из корпуса, реактивных двигателей, системы управления и по сравнению с прототипом отличается тем, что его корпус выполнен в виде тела, образованного вращением окружности радиусом r вокруг вертикальной оси и ограниченному сверху и снизу горизонтальными плоскостями, причем расстояние от центра этой окружности до вертикальной оси составляет от 1-3 радиусов r. Реактивные двигатели скомпонованы и установлены попарно в виде поворотных блоков, которые имеют оси вращения, перпендикулярные к поверхности корпуса, количество блоков, равномерно расположенных по экваториальной плоскости корпуса, составляет не менее шести, а сами блоки установлены подвижно на меридионально расположенных направляющих. В совокупности эти признаки являются достаточным для обеспечения достижения ожидаемого технического результата. To solve this problem, the invention comprises an aircraft consisting of a hull, jet engines, a control system and, compared with the prototype, differs in that its hull is made in the form of a body formed by the rotation of a circle of radius r around a vertical axis and bounded by horizontal planes above and below, moreover, the distance from the center of this circle to the vertical axis is from 1-3 radii r. Jet engines are arranged and mounted in pairs in the form of rotary blocks that have rotation axes perpendicular to the surface of the body, the number of blocks evenly spaced along the equatorial plane of the body is at least six, and the blocks themselves are mounted movably on meridionally spaced rails. Together, these signs are sufficient to ensure the achievement of the expected technical result.

Корпус предлагаемого летательного аппарата представляет собой плоское симметричное тело вращения. Такое тело, находящееся в потоке под углом атаки, способно создавать подъемную силу, что обеспечивает горизонтальный полет аппарата при задресселированных или частью выключенных двигателях. The body of the proposed aircraft is a flat symmetrical body of revolution. Such a body, which is in the flow at an angle of attack, is capable of creating a lifting force, which ensures horizontal flight of the device with the engines mated or partially turned off.

Широкий маневр летательных аппаратов обеспечивается работой и положением всех блоков реактивных двигателей. При количестве блоков двигателей, равном шести или при большем (но четном), будут создаваться управляющие усилия, способные за очень короткий промежуток времени изменить положение летательного аппарата в пространстве. A wide maneuver of aircraft is ensured by the operation and position of all jet engine blocks. With the number of engine blocks equal to six or with a larger (but even) control effort will be created that can change the position of the aircraft in space in a very short period of time.

При установке двух, трех, четырех или пяти двигателей, как показал анализ, эффективность управления снижается, так как либо двигатели работают несимметрично и возникает разнотяговость, либо в процессе продолжительного полета их попросту необходимо выключать. Поэтому именно шесть блоков двигателей или больше обеспечивает эффективность управления летательным аппаратом с вертикальным взлетом. When two, three, four, or five engines are installed, the analysis showed that the control efficiency decreases, since either the engines work asymmetrically and there is a different thrust, or during a long flight they simply need to be turned off. Therefore, it is precisely six engine blocks or more that provide effective control of an aircraft with vertical take-off.

Поворот блоков вокруг собственных осей, перпендикулярных поверхности летательного аппарата, обеспечивает очень быстрый переход от одного режима полета к другому, например, от вертикального взлета до горизонтального полета на малой тяге, когда боковые по направлению полета блоки двигателей развернуты на 90^o, а передние и задние блоки дросселированы или выключены. Разворот блока двигателей вокруг своей оси осуществляется тоже чрезвычайно быстро за счет тяг спаренных двигателей. Именно с этой целью двигатели спарены в поворотный блок. Симметричность корпуса аппарата и двигателей обеспечивает возможность перемещения его в любом направлении и обеспечивает отсутствие деления на носовую и хвостовую части летательного аппарата, снабженного двумя противоположно расположенными пилотскими кабинами. Предлагаемая в данном изобретении форма корпуса летательного аппарата позволяет перемещать поворотные блоки реактивных двигателей от экваториального сечения в любое другое горизонтальное сечение на боковой поверхности летательного аппарата, представляющей собой поверхность тора, образованного вращением окружности радиуса r. Последнее может быть обеспечено за счет передвижения блока двигателей по меридиально расположенным направляющим.The rotation of the blocks around its own axes perpendicular to the surface of the aircraft provides a very quick transition from one flight mode to another, for example, from vertical take-off to horizontal low-thrust flight, when the engine blocks lateral in the direction of flight are rotated 90 ^° , and the front and rear blocks are throttled or off. The rotation of the engine block around its axis is also extremely fast due to the rods of twin engines. It is for this purpose that the engines are paired into a rotary unit. The symmetry of the body of the apparatus and engines provides the ability to move it in any direction and ensures the absence of division into the nose and tail parts of the aircraft, equipped with two oppositely located pilot cockpits. Proposed in this invention, the shape of the hull of the aircraft allows you to move the rotary blocks of jet engines from the equatorial section to any other horizontal section on the side surface of the aircraft, which is the surface of a torus formed by rotation of a circle of radius r. The latter can be achieved by moving the engine block along meridially spaced rails.

Горизонтальные поверхности, ограничивающие сверху и снизу корпус летательного аппарата, необходимы для того, чтобы вывести блоки передних и задних реактивных двигателей в положение, когда направление их тяг совпадает с направлением полета. Такое меридиальное перемещение блоков двигателей в плоскости и поворот их относительно собственных осей обеспечивается за счет изменения сил тяги самих двигателей. Horizontal surfaces bounding the upper and lower body of the aircraft are necessary in order to bring the blocks of the front and rear jet engines to a position where the direction of their rods coincides with the direction of flight. Such a meridional movement of engine blocks in the plane and their rotation relative to their own axes is provided by changing the thrust forces of the engines themselves.

Форма корпуса плоское тело вращения необходима для создания подъемной силы в полете; для уменьшения лобового сопротивления; для обеспечения возможности перемещения блоков двигателей по установленным на боковых поверхностях меридиональным направляющим. The shape of the body a flat body of revolution is necessary to create lift in flight; to reduce drag; to provide the ability to move the engine blocks installed on the lateral surfaces of the meridional rails.

Выбор оптимальных значений расстояний от центра окружности до вертикальной оси от 1 до 3 радиусов r окружности обусловлен тем, что при увеличении этого расстояния габариты предлагаемого аппарата будут столь значительными, что вертикальный взлет или другие вертикальные маневры будут неэффективны из-за возрастания массы аппарата и большого лобового сопротивления. Это в конечном счете снижает и технический результат изобретения повышение эффективности его управления за счет увеличения быстродействия, так как в полете возможны любые эволюции, как горизонтальные, так и вертикальные. В то же время нельзя уменьшать это расстояние ниже r, так как уменьшаются ограничивающие тело вращения сверху и снизу горизонтальные поверхности, а они необходимы для выделения блоков двигателей в положение, когда их тяга совпадает с направлением полета, и существенно уменьшаются полезные объемы для размещения оборудования и полезных грузов. The choice of the optimal values of the distances from the center of the circle to the vertical axis from 1 to 3 radii r of the circle is due to the fact that with an increase in this distance the dimensions of the proposed device will be so significant that vertical take-off or other vertical maneuvers will be ineffective due to an increase in the mass of the device and a large frontal resistance. This ultimately reduces the technical result of the invention, increasing the efficiency of its control by increasing speed, since in flight any evolution is possible, both horizontal and vertical. At the same time, this distance cannot be reduced below r, since the horizontal surfaces restricting the body of rotation from above and below are reduced, and they are necessary to separate the engine blocks to a position where their thrust coincides with the direction of flight, and useful volumes for placing equipment and payloads.

Совокупность признаков, характеризующих заявленное изобретение неизвестна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию "новизна". The set of features characterizing the claimed invention is unknown from the prior art, which allows us to conclude that the invention meets the condition of "novelty."

Техническая мощность заявленного изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии его условию "изобретательский уровень". The technical power of the claimed invention does not follow for a specialist explicitly from the prior art, which allows us to conclude that its condition is "inventive step".

Совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение, в принципе, может быть многократно использована в авиационно-космической технике с получением технического результата, заключающегося в повышении быстродействия управления полетом летательного аппарата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию "промышленная применимость". The set of essential features characterizing the invention, in principle, can be repeatedly used in aerospace engineering to obtain a technical result, which consists in increasing the speed of flight control of an aircraft, which allows us to conclude that the invention meets the condition of "industrial applicability".

На фиг. 1 изображен летательный аппарат с вертикальным взлетом в положении взлета, вид спереди; на фиг. 2 летательный аппарат в том же положении, вид сверху. In FIG. 1 shows an aircraft with vertical take-off in the take-off position, front view; in FIG. 2 aircraft in the same position, top view.

Предложенный летательный аппарат с вертикальным взлетом содержит корпус 1, представляющий собой тело, образованное вращением окружности радиусом r вокруг вертикальной оси АА и ограниченное сверху и снизу горизонтальными плоскостями 2 и 3, причем расстояние L от центра окружности до вертикальной оси АА вращения составляет от 1 до 3 радиусов r. В состав предлагаемого изобретения входят реактивные двигатели 4, соединенные попарно в подвижные блоки 5, имеющие возможность перемещаться в меридиальном направлении и вращаться относительно осей 6. Количество блоков составляет не менее шести, а сами блоки установлены на меридиально расположенных направляющих 7. Аппарат снабжен пилотскими кабинами 8 и грузовыми отсеками 9. The proposed vertical take-off aircraft comprises a body 1, which is a body formed by rotation of a circle of radius r around the vertical axis AA and bounded above and below by horizontal planes 2 and 3, and the distance L from the center of the circle to the vertical axis of rotation AA is from 1 to 3 radii r. The composition of the invention includes jet engines 4, coupled in movable blocks 5, with the ability to move in the meridian direction and rotate relative to the axes 6. The number of blocks is at least six, and the blocks themselves are mounted on meridially arranged rails 7. The device is equipped with pilot cabins 8 and cargo compartments 9.

При взлете летательного аппарата подвижные блоки 5 двигателей 4 располагаются, как показано на фиг.1, в экваториальной плоскости ВВ вертикально, создавая максимальную подъемную силу. When the aircraft takes off, the movable blocks 5 of the engines 4 are located, as shown in figure 1, in the equatorial plane of the explosive vertically, creating maximum lifting force.

В процессе полета летательного аппарата на крейсерском режиме (горизонтальный полет) подвижные блоки 5 реактивных двигателей 4 располагаются так, что продольные оси двигателей принимают направление близкое к направлению полета. При этом экономичность полета обеспечивается расположением двух боковых (по направлению полета) блоков в экваториальном сечении корпуса. Передние блоки по направлению располагаются в нижней части корпуса, на нижней горизонтальной плоскости, ограничивающей корпус, задние блоки в верхней части корпуса, а на верхней горизонтальной плоскости, а сами реактивные двигатели развернуты относительно осей блоков 5 так, что направления векторов и их тяги совпадают с направлением полета. During the flight of the aircraft in cruising mode (horizontal flight), the mobile units 5 of the jet engines 4 are arranged so that the longitudinal axes of the engines take a direction close to the direction of flight. In this case, flight economy is ensured by the location of two lateral (in the direction of flight) blocks in the equatorial section of the hull. The front blocks in the direction are located in the lower part of the body, on the lower horizontal plane bounding the body, the rear blocks in the upper part of the body, and on the upper horizontal plane, while the jet engines themselves are deployed relative to the axes of the blocks 5 so that the directions of the vectors and their traction coincide with direction of flight.

Для достижения ожидаемого технического результата повышения эффективности управления полетом, используется возможность быстрого передвижения подвижных блоков 5 реактивных двигателей 4 в меридиальном направлении и поворот блоков 5 относительно собственных осей за счет дифференциального изменения тяги двигателей. Это может быть обеспечено за счет разной подачи топлива в камеры двигателей. To achieve the expected technical result of increasing flight control efficiency, the possibility of quick movement of the movable blocks 5 of the jet engines 4 in the meridian direction and the rotation of the blocks 5 relative to their own axes due to the differential variation of the engine thrust are used. This can be achieved due to the different fuel supply to the engine chambers.

В качестве двигателей могут быть использованы уже существующие хорошо зарекомендовавшие себя турбореактивные двигатели (полеты в атмосфере) либо жидкостноракетные двигатели (полеты в атмосфере и космосе). Выбор мощности двигателя определяется задачами, которые могут быть поставлены перед предлагаемым летательным аппаратом. As engines, existing well-established turbojet engines (flights in the atmosphere) or liquid-rocket engines (flights in the atmosphere and space) can be used. The choice of engine power is determined by the tasks that can be posed to the proposed aircraft.

Таким образом, если развернуть верхние и нижние блоки спаренных двигателей, расположенных на верхней и нижней поверхности летательного аппарата относительно их осей вращения, то в этом случае будут возникать мощные боковые управляющие усилия, способные с высоким быстродействием развернуть аппарат в любом направлении. Thus, if you deploy the upper and lower blocks of twin engines located on the upper and lower surfaces of the aircraft relative to their rotational axes, then powerful lateral control forces will occur that can deploy the device in any direction with high speed.

Управляющее воздействие можно изменить за счет смещения блоков 5 реактивных двигателей 4 по меридиально расположенным направляющим 7. Изменение режима полета от вертикального к горизонтальному можно обеспечить за счет поворота на 90^o двух взаимно противоположных спаренных блоков за счет изменения режимов работы двигателей или перемещения блоков двигателей в нужное положение.The control action can be changed due to the displacement of the blocks of 5 jet engines 4 along the meridially spaced rails 7. Changing the flight mode from vertical to horizontal can be achieved by turning 90 ^{° of} two mutually opposite paired blocks by changing the operating modes of the engines or moving the engine blocks to the desired position.

Предложенный летательный аппарат может представить значительный интерес для народного хозяйства, для научных и военных целей. The proposed aircraft can be of significant interest for the national economy, for scientific and military purposes.

Claims

A vertical take-off aircraft comprising a hull, jet engines, a device for changing the position of the engines, a control system, characterized in that the hull is made in the form of a body formed by rotating a circle with a radius r about a vertical axis and bounded by horizontal planes above and below, and the distance from the center of the circle to the vertical axis of rotation is from 1 to 3 radii r, jet engines are installed in pairs in the form of rotary blocks that have axes of rotation perpendicular ned to the surface of the hull, the number of engine blocks evenly spaced along the equatorial circumference of the hull is at least six, and the blocks themselves are mounted movably on meridially spaced rails.