RU2278800C2

RU2278800C2 - Vertical takeoff and landing aircraft

Info

Publication number: RU2278800C2
Application number: RU2004115842/11A
Authority: RU
Inventors: Леонид Петрович Шингель (RU); Леонид Петрович Шингель
Original assignee: Леонид Петрович Шингель
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2006-06-27
Also published as: RU2004115842A

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: proposed vertical takeoff and landing aircraft has fuselage, vertical and horizontal tail units, engines and wing with variable-pitch propeller mounted on its tip; variable-pitch propellers interconnected together rotate in opposite directions; they are also connected with engines by means of transmission. Axle of shaft of each propeller is pivoted and is located in plane passing through two axes: axis of turn of propeller shaft axle in plane parallel to longitudinal plane of symmetry of aircraft and axis of propeller shaft.

EFFECT: possibility of performing takeoff and landing on unprepared non-horizontal areas at wind of varying direction.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано в самолетах вертикального взлета и посадки.The invention relates to the field of aviation technology and can be used in aircraft of vertical take-off and landing.

Известен самолет вертикального взлета и посадки Кертис Х-19, описанный в книге Ф.П.Курочкина "Проектирование и конструирование самолетов с вертикальным взлетом и посадкой", М., Машиностроение, 1977 г. стр.13.Famous aircraft vertical take-off and landing Curtis X-19, described in the book of F.P. Kurochkin "Design and construction of aircraft with vertical take-off and landing", M., Mechanical Engineering, 1977, p. 13.

В данном самолете вертикального взлета и посадки имеются фюзеляж, вертикальное оперение, шасси, переднее и заднее крылья и установленные на их концах воздушные винты изменяемого шага с противоположным направлением вращения, оси которых выполнены поворотными в плоскостях параллельных продольной плоскости симметрии самолета, причем винты соединены трансмиссией между собой и двигателями. При взлете, висении и посадке тяга винтов направлена вертикально вверх, а на марше направлена горизонтально вперед. Данный самолет способен висеть с наклонным положением фюзеляжа, а следовательно, осуществлять взлет и посадку с негоризонтальной поверхности.This vertical takeoff and landing airplane has a fuselage, vertical tail, landing gear, front and rear wings and variable pitch propellers mounted at their ends with opposite rotation directions, the axes of which are rotatable in planes parallel to the longitudinal plane of symmetry of the airplane, and the screws are connected by a transmission between themselves and engines. During takeoff, hovering and landing, the thrust of the screws is directed vertically upwards, and on the march is directed horizontally forward. This aircraft is able to hang with the inclined position of the fuselage, and therefore, take off and landing from a non-horizontal surface.

Недостатком данного самолета вертикального взлета и посадки является невысокая экономичность вследствие применения двух крыльев малого относительного удлинения.The disadvantage of this aircraft vertical takeoff and landing is low efficiency due to the use of two wings of small relative elongation.

Отмеченный недостаток устранен в самолете вертикального взлета и посадки Белл XV-15, описанном в книге Ф.П.Курочкина "Проектирование и конструирование самолетов с вертикальным взлетом и посадкой", М.: Машиностроение, 1977 г. стр.107, наиболее близком к изобретению и принятом за прототип.The noted drawback is eliminated in the aircraft of vertical take-off and landing Bell XV-15, described in the book of F.P. Kurochkin "Design and construction of aircraft with vertical take-off and landing", Moscow: Mashinostroenie, 1977, p. 107, closest to the invention and taken as a prototype.

В данном самолете вертикального взлета и посадки имеются фюзеляж, вертикальное и горизонтальное оперение, шасси, крыло и два установленных в гондолах на концах крыла двигателя с соединенными с ними воздушными винтами изменяемого шага с противоположным направлением вращения, оси которых выполнены поворотными в плоскостях, параллельных продольной плоскости симметрии самолета. Использование одного крыла с более высоким относительным удлинением позволяет получить более высокое аэродинамическое качество в горизонтальном полете, а значит улучшить экономичность.This vertical takeoff and landing airplane has a fuselage, vertical and horizontal tail, a landing gear, a wing, and two variable-pitch propellers mounted in nacelles at the ends of the engine wing with the opposite direction of rotation, the axes of which are rotatable in planes parallel to the longitudinal plane symmetry of the aircraft. The use of one wing with a higher elongation makes it possible to obtain a higher aerodynamic quality in horizontal flight, and thus improve profitability.

Недостатком известного решения является то, что на режиме висения, взлета и посадки управление осуществляется: по курсу - дифференпиальным отклонением осей валов воздушных винтов вперед-назад, по крену - дифференциальным изменением шага винтов, по тангажу - синхронным отклонением осей валов воздушных винтов вперед-назад. Такое управление не позволяет висеть самолету в случае наклонного положения фюзеляжа и, следовательно, совершать взлет и посадку с негоризонтальных поверхностей. К недостаткам относится и то, что для парирования боковых порывов ветра самолет сначала должен развернуть свою продольную ось против или вдоль направления ветра. Это приводит также ухудшению точности посадки, поскольку маневрирование возможно только в продольном направлении самолета. Перемещение в боковом направлении возможно только при наличии крена, который недопустим в момент посадки, следовательно, точное поперечное перемещение контролировать практически невозможно.A disadvantage of the known solution is that in the hover, take-off and landing mode, control is carried out: at the heading - differential deviation of the axes of the propeller shafts forward and backward, along the roll - at a differential change in the pitch of the propellers, at pitch - synchronous deviation of the axes of the propeller shafts back and forth . Such control does not allow the aircraft to hang in the case of an inclined position of the fuselage and, therefore, take off and landing from non-horizontal surfaces. The disadvantages include the fact that in order to counter lateral gusts of wind, the aircraft must first turn its longitudinal axis against or along the direction of the wind. This also leads to a deterioration in landing accuracy, since maneuvering is possible only in the longitudinal direction of the aircraft. Moving in the lateral direction is possible only if there is a roll, which is unacceptable at the time of landing, therefore, it is practically impossible to control the exact lateral movement.

Задачей изобретения является создание экономичного самолета вертикального взлета и посадки, способного взлетать и садиться с высокой точностью на неподготовленных негоризонтальных площадках в условиях ветра пересменного направления.The objective of the invention is the creation of an economical aircraft vertical take-off and landing, capable of taking off and landing with high accuracy on unprepared non-horizontal platforms in conditions of alternating wind.

Указанная задача достигается тем, что в самолете вертикального взлета и посадки имеющем фюзеляж, вертикальное и горизонтальное оперения, шасси, двигатели, крыло и установленные на его концах воздушные винты изменяемого шага с противоположным направлением вращения, соединенные между собой и с двигателями трансмиссией, причем ось вала каждого воздушного винта выполнена поворотной в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, согласно изобретению ось вала каждого воздушного винта выполнена поворотной и в другой плоскости, проходящей через две оси: через ось поворота оси вала воздушного винта в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, и через ось вала воздушного винта.This task is achieved by the fact that in an airplane of vertical takeoff and landing having a fuselage, vertical and horizontal tail units, landing gear, engines, a wing and variable-pitch propellers mounted at its ends with an opposite direction of rotation, connected to each other and to the transmission engines, the shaft axis each propeller is rotatable in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, according to the invention, the axis of the shaft of each propeller is rotatable in another plane speed passing through two axes: through the axis of rotation of the axis of the propeller shaft in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, and through the axis of the propeller shaft.

Выполнение оси вала каждого воздушного винта поворотной и в другой плоскости, проходящей через две оси: через ось поворота оси вала воздушного винта в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, и через ось вала воздушного винта позволяет наклонять воздушные винты, кроме продольного, еще и в поперечном направлении, то есть создать горизонтальную составляющую тяги в боковом направлении. Это позволяет самолету висеть в наклонном положении, с креном, когда дифференциальным изменением шага винтов задается крен, и координировано отклонением осей винтов в плоскости, перпендикулярной продольной оси самолета, задается боковая составляющая тяги. При наличии боковой составляющей тяги винтов появляется возможность совершать взлет и посадку с негоризонтальных площадок. Появляется также возможность парировать боковые порывы ветра и управлять точным положением точки посадки не только в продольном, но и в поперечном направлении самолета.The execution of the axis of the shaft of each propeller rotary and in another plane passing through two axes: through the axis of rotation of the axis of the shaft of the propeller in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, and through the axis of the shaft of the propeller allows you to tilt the propellers, except for the longitudinal, also in transverse direction, that is, to create a horizontal component of the thrust in the lateral direction. This allows the aircraft to hang in an inclined position, with a roll, when a roll is specified by differential variation of the pitch of the screws, and the lateral thrust component is set by coordinating the deviation of the screw axes in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the aircraft. In the presence of a lateral component of the thrust of the screws, it becomes possible to take off and land from non-horizontal platforms. There is also the opportunity to counter the lateral gusts of wind and control the exact position of the landing point, not only in the longitudinal but also in the transverse direction of the aircraft.

Необходимый эффект обеспечивает поворот оси каждого воздушного винта в поперечном направлении на угол 6...8 градусов. Боковая составляющая тяги F при этом составит F=P·Sinφ, где Р - вертикальная составляющая тяги, φ - угол отклонения оси винта. При φ=6...8 градусов F=10...14% от Р, что достаточно для управления.The required effect provides the rotation of the axis of each propeller in the transverse direction by an angle of 6 ... 8 degrees. The lateral component of the thrust F in this case will be F = P · Sinφ, where P is the vertical component of the thrust, φ is the angle of deviation of the axis of the screw. With φ = 6 ... 8 degrees F = 10 ... 14% of P, which is enough for control.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема самолета вертикального взлета и посадки, на фиг.2 показаны поворотная ось вала воздушного винта и возможное устройство для реализации ее поворота.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a diagram of a vertical take-off and landing airplane, Fig. 2 shows a rotary axis of a propeller shaft and a possible device for realizing its rotation.

На фиг.1 обозначены: фюзеляж 1, вертикальное и горизонтальное оперения с рулевыми поверхностями, соответственно 2 и 3, шасси 4, двигатели 5, крыло 6, воздушные винты изменяемого шага 7. Там же показаны элероны 8, гидравлические приводы продольного поворота осей валов воздушных винтов 9, гидравлические приводы поперечного поворота осей валов воздушных винтов 10, трансмиссия 11. Оси валов воздушных винтов обозначены 12, гондолы воздушных винтов обозначены 13.Figure 1 shows: fuselage 1, vertical and horizontal plumage with steering surfaces, respectively 2 and 3, chassis 4, engines 5, wing 6, propellers of variable pitch 7. Ailerons 8, hydraulic drives for longitudinal rotation of axes of air shafts are also shown there. screws 9, hydraulic drives for lateral rotation of the axes of the shafts of the propellers 10, the transmission 11. The axis of the shafts of the propellers are indicated 12, the nacelles of the propellers are indicated 13.

На фиг.2 схематически показана гондола воздушного винта. Поворотная ось воздушного винта обозначена 1, вал воздушного винта - 2, передняя часть гондолы воздушного винта - 3, задняя часть гондолы воздушного винта - 4, вал - 5 и ось поворота передней части гондолы - 6, вал - 7 и ось поворота задней части гондолы - 8, карданный шарнир - 9, зубчатая передача - 10, гидропривод поперечного поворота оси винта - 11.Figure 2 schematically shows a nacelle of a propeller. The rotary axis of the propeller is 1, the propeller shaft is 2, the front of the propeller nacelle is 3, the rear of the propeller nacelle is 4, the shaft is 5 and the axis of rotation of the front of the nacelle is 6, the shaft is 7 and the axis of rotation of the rear of the nacelle - 8, cardan joint - 9, gear transmission - 10, hydraulic drive for lateral rotation of the screw axis - 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На участке взлета, висения и посадки оси 12 воздушных винтов вместе с гондолами 13 (см. фиг.1) поворачиваются гидравлическими приводами продольного поворота осей валов воздушных винтов 9 в вертикальное положение так, что тяга воздушных винтов 7 (см.фиг.1) направлена вверх. Вся мощность двигателей 5 через трансмиссию 11 (см. фиг.1) передается на воздушные винты. Величина вертикальной тяги регулируется оборотами двигателей и общим шагом воздушных винтов. Управление по крену на этом режиме осуществляется дифференциальным изменением шага винтов, управляющий момент создается увеличением шага одного винта и таким же уменьшением шага другого винта.The proposed device operates as follows. At the take-off, hovering and landing site, the axis of the propellers 12 together with the nacelles 13 (see Fig. 1) are rotated by hydraulic drives for longitudinal rotation of the axes of the propeller shafts 9 into a vertical position so that the thrust of the propellers 7 (see Fig. 1) is directed up. All the power of the engines 5 through the transmission 11 (see figure 1) is transmitted to the propellers. The magnitude of the vertical thrust is regulated by the engine speed and the total pitch of the propellers. The roll control in this mode is carried out by differential variation of the pitch of the screws, the control moment is created by increasing the pitch of one screw and the same decrease in the pitch of the other screw.

Управление по курсу при этом осуществляется дифференциальным отклонением от вертикали осей 12 (см. фиг.1) воздушных винтов вместе с гондолами 13 (см. фиг.1). При отклонении оси одного из винтов вперед, а другого назад возникают горизонтальные составляющие тяги, создающие момент, разворачивающий самолет по курсу.Control over the course is carried out by differential deviation from the vertical axis 12 (see figure 1) of the propellers together with the nacelles 13 (see figure 1). When the axis of one of the propellers deviates forward and the other back, horizontal components of thrust arise, creating a moment that turns the plane along the course.

Управление по тангажу осуществляется синхронным отклонением вперед-назад от вертикали осей 12 (см. фиг.1) воздушных винтов.Pitch control is carried out by synchronous deviation back and forth from the vertical axis 12 (see figure 1) of propellers.

Для совершения точной посадки на негоризонтальную поверхность в условиях ветра переменного направления ось вала каждого воздушного винта выполнена поворотной и в другой плоскости, проходящей через две оси: через ось поворота оси вала воздушного винта в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, и через ось вала воздушного винта.To make an exact landing on a non-horizontal surface under variable wind conditions, the axis of the shaft of each propeller is rotary in another plane passing through two axes: through the axis of rotation of the axis of the shaft of the propeller in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, and through the axis of the shaft of the air screw.

Как показано на фиг.2, задняя часть гондолы воздушного винта 4 поворачивается на валу 7 вокруг оси 8 в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, обеспечивая поворот оси винта 1 и вала 2 в этой же плоскости, причем ось 8 перпендикулярна указанной плоскости. Этот поворот обозначен стрелками в продольном направлении на фиг.1. Передняя часть гондолы винта 3 (см. фиг.2) может поворачиваться на валу 5 вокруг оси 6 относительно задней части гондолы 4, причем ось поворота 6 перпендикулярна плоскости, проходящей через ось 8. Тогда любой поворот передней части гондолы 3 вокруг оси 6 вызывает поворот оси воздушного винта 1 и его вала 2 в плоскости, проходящей через ось поворота оси вала воздушного винта в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии самолета, и проходящей через ось вала воздушного винта. Такой поворот показан стрелками в поперечном направлении на фиг.1. На фиг.2 показано, как мощность двигателей передается через коническую зубчатую передачу 10 и карданный шарнир 9 на вал воздушного винта, а поворот передней части гондолы 3 относительно задней части гондолы 4 производится гидроприводом 11, соединенным с обеими частями. Поворот осей винтов в поперечном направлении создает боковую составляющую вектора тяги и позволяет висеть с креном, садиться и взлетать с негоризонтальных площадок.As shown in figure 2, the rear part of the nacelle of the propeller 4 rotates on the shaft 7 around the axis 8 in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, providing rotation of the axis of the screw 1 and shaft 2 in the same plane, and the axis 8 is perpendicular to the specified plane. This rotation is indicated by arrows in the longitudinal direction in figure 1. The front part of the nacelle of the screw 3 (see FIG. 2) can rotate on the shaft 5 about the axis 6 relative to the rear of the nacelle 4, and the axis of rotation 6 is perpendicular to the plane passing through axis 8. Then any rotation of the front of the nacelle 3 around axis 6 causes a rotation the axis of the propeller 1 and its shaft 2 in a plane passing through the axis of rotation of the axis of the propeller shaft in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft and passing through the axis of the propeller shaft. This rotation is shown by arrows in the transverse direction in figure 1. Figure 2 shows how the engine power is transmitted through the bevel gear 10 and the universal joint 9 to the propeller shaft, and the front of the nacelle 3 is rotated relative to the rear of the nacelle 4 by a hydraulic actuator 11 connected to both parts. Turning the axes of the screws in the transverse direction creates a lateral component of the thrust vector and allows you to hang with a roll, land and take off from non-horizontal platforms.

Перед переходом в горизонтальный полет поворот осей воздушных винтов в поперечном направлении приводится в нейтральное положение.Before moving into horizontal flight, the rotation of the axes of the propellers in the transverse direction is brought to the neutral position.

Переход в горизонтальный полет производится путем координированного, по мере набора горизонтальной скорости, поворота осей 13 (см. фиг.1) воздушных винтов вперед, в горизонтальное положение. Управление в горизонтальном полете осуществляется вертикальными и горизонтальными рулями, а так же элеронами, как в обычном самолете. Горизонтальный полет осуществляется с повышенной экономичностью вследствие высокого относительного удлинения крыла.The transition to horizontal flight is carried out by coordinated, as the horizontal speed is gained, rotation of the propeller axes 13 (see FIG. 1) forward to a horizontal position. Management in horizontal flight is carried out by vertical and horizontal rudders, as well as ailerons, as in an ordinary airplane. Horizontal flight is carried out with increased efficiency due to the high elongation of the wing.

Переход в режим висения осуществляется в обратном порядке.The transition to the hover mode is carried out in the reverse order.

Использование предлагаемого технического решения обеспечивает расширение возможностей взлета и посадки на негоризонтальные площадки при ветре переменного направления для самолета вертикального взлета и посадки повышенной экономичности.The use of the proposed technical solution provides an extension of the capabilities of take-off and landing on non-horizontal platforms with a wind of variable direction for a vertical take-off and landing aircraft of increased efficiency.

Claims

A vertical take-off and landing airplane having a fuselage, vertical and horizontal tail units, landing gear, engines, wing and variable-pitch propellers mounted at its ends with opposite direction of rotation, connected to each other and to the transmission engines, the shaft axis of each propeller being rotatable a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft, characterized in that the axis of the shaft of each propeller is rotatable and in another plane passing through two axes: through turning the axis of each propeller shaft in a plane parallel to the longitudinal plane of symmetry of the aircraft and through the axis of the propeller shaft.