RU2314972C2

RU2314972C2 - Helicopter

Info

Publication number: RU2314972C2
Application number: RU2005113204/11A
Authority: RU
Inventors: Алексей Александрович Анищенко; Владимир Юрьевич Чернов
Original assignee: Алексей Александрович Анищенко; Владимир Юрьевич Чернов
Priority date: 2005-05-03
Filing date: 2005-05-03
Publication date: 2008-01-20

Abstract

FIELD: manufacture of helicopters; light flying vehicles of safe vertical takeoff and landing.

SUBSTANCE: proposed helicopter has load-bearing frame on which landing gear, stabilizing control surface with rods, cabin and fuel tank are secured. Helicopter is also provided with power plant and two coaxial rotors revolving in opposite directions. Power plant is made in form of engine frame and radial internal combustion engine provided with air cooling system, revolving cylinder block and two power takeoff shafts located coaxially on opposite sides of engine for rotation in opposite directions. Engine with rotors is mounted inside engine frame. Engine is located between fixed-pitch main rotors. Engine frame is connected with load-bearing frame with the aid of articulation cross-piece mounted coaxially relative to power takeoff shaft axis and telescopic strut located behind cabin on peripheral part of engine frame. Fuel tank is located between telescopic strut and cabin and stabilizing control surface is located behind telescopic strut.

EFFECT: enhanced operational and economical efficiency; reduced usage of metal; reduced mass and overall dimensions of helicopter; enhanced controllability.

3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области вертолетостроения и может использоваться в качестве легкого летательного аппарата с безопасным вертикальным взлетом и посадкой как в пилотируемом, так и беспилотном варианте.The present invention relates to the field of helicopter engineering and can be used as a light aircraft with safe vertical take-off and landing in both manned and unmanned versions.

Известен легкий вертолет, содержащий несущую раму, на которой жестко установлены двигатель с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами (см. патент US 5370341, кл. В64С 27/00, 06.12.1994).Known light helicopter containing a supporting frame, on which the engine is rigidly mounted with rotary axial rotors rotating in opposite directions (see US patent 5370341, CL B64C 27/00, 12/06/1994).

Данный вертолет имеет малый вес. Однако его использование и особенно управление требует от пилота значительных физических усилий, поскольку направление полета зависит от расположения тела пилота относительно центра тяжести вертолета и любое неосторожное движение может привести к резкому изменению направления полета.This helicopter is light in weight. However, its use and especially control requires considerable physical effort from the pilot, since the direction of flight depends on the location of the pilot’s body relative to the center of gravity of the helicopter and any careless movement can lead to a sharp change in flight direction.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вертолет, содержащий несущую раму, на которой на шарнире установлен двигатель с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами (см. авторское свидетельство SU 1819809, кл. В64С 27/04, 07.06.1993).The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result is a helicopter containing a supporting frame, on which a motor is mounted on a hinge with rotary axially rotating rotors (see copyright certificate SU 1819809, class B64C 27/04, 06/07/1993) .

Использование двух соосных несущих винтов, расположенных один над другим, требует использования редуктора и трансмиссии для передачи вращения от вала отбора мощности двигателя к несущим винтам, что усложняет конструкцию вертолета, утяжеляет ее и приводит к смещению центра тяжести относительно оси вращения несущих винтов, сказывающемуся на легкости управления вертолетом.The use of two coaxial rotors located one above the other requires the use of a gearbox and transmission to transmit rotation from the engine power take-off shaft to the rotors, which complicates the design of the helicopter, makes it heavier and displaces the center of gravity relative to the rotor axis of rotation of the rotors, which affects lightness helicopter control.

Технической задачей является увеличение КПД и экономичности энергетической установки при снижении металлоемкости вертолета.The technical task is to increase the efficiency and efficiency of the power plant while reducing the metal consumption of the helicopter.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является снижение веса и габаритов вертолета, а также упрощение его управляемости.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to reduce the weight and dimensions of the helicopter, as well as simplifying its controllability.

Указанный технический результат достигается за счет того, что вертолет содержит несущую раму, на которой закреплены шасси, стабилизационный руль с тягами, кабина и топливный бак, силовую установку и два соосных несущих винта, вращающихся в противоположные стороны, при этом силовая установка выполнена в виде моторной рамы и звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров и двумя выходными валами отбора мощности, расположенными соосно и с противоположных сторон двигателя с возможностью их вращения в противоположные стороны, причем двигатель с несущими винтами установлен внутри моторной рамы, сам двигатель размещен между несущими винтами, последние выполнены с постоянным шагом, моторная рама соединена с несущей рамой шарнирной траверсой, установленной соосно оси валов отбора мощности, и телескопической стойкой, расположенной за кабиной на периферийной части моторной рамы, при этом между телескопической стойкой и кабиной расположен топливный бак, а за телескопической стойкой - стабилизационный руль.The specified technical result is achieved due to the fact that the helicopter contains a supporting frame on which the landing gear is mounted, a stabilization steering wheel with rods, a cabin and a fuel tank, a power plant and two coaxial rotors rotating in opposite directions, while the power plant is made in the form of a motor frame and star-shaped internal combustion engine with air cooling, a rotating cylinder block and two output power take-off shafts located coaxially and on opposite sides of the engine with the possibility of their rotation in opposite directions, with the engine with main rotors installed inside the motor frame, the engine itself is placed between the main rotors, the latter are made with a constant step, the motor frame is connected to the main frame by a hinged traverse mounted coaxially to the axis of the power take-off shafts, and a telescopic rack, located behind the cabin on the peripheral part of the motor frame, while between the telescopic stand and the cabin there is a fuel tank, and behind the telescopic stand - stabilization steering wheel.

В ходе проведенного исследования было установлено, что установка двигателя с несущими винтами в моторной раме дает возможность разместить двигатель между несущими винтами, что в сочетании с использованием качеств двигателя вертолета звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров (дискообразный двухтактный роторно-поршневой двигатель) и двумя выходными валами отбора мощности, выходные участки которых расположены соосно и с противоположных сторон двигателя с вращением валов отбора мощности в противоположные стороны, позволяет вращать два винта в разные стороны с одинаковой угловой скоростью, что позволяет проектировать летательные аппараты по соосной схеме без применения главного редуктора и колонки с расположением несущих винтов непосредственно на валах отбора мощности.In the course of the study, it was found that installing an engine with rotors in the engine frame makes it possible to place the engine between the rotors, which, in combination with using the qualities of a helicopter engine of a star-shaped internal combustion engine with air cooling, a rotating cylinder block (disk-shaped two-stroke rotary piston engine ) and two output power take-off shafts, the output sections of which are located coaxially and on opposite sides of the engine with rotation of the output shafts power in opposite directions, allows you to rotate two screws in different directions with the same angular velocity, which allows you to design aircraft in accordance with the coaxial scheme without the use of the main gearbox and column with the location of the rotors directly on the power take-off shafts.

За счет указанных выше преимуществ существенно снижается вес летательного аппарата и повышается вес полезной нагрузки. Дискообразный двигатель, вращаясь в плоскости, создает мощный гироскопический эффект, что позволяет удерживать летательный аппарат в заданной плоскости. Моторная рама, по существу, позволила создать силовую установку, которую легко и удобно установить, как единый блок на шарнире, что, в свою очередь, позволило создать простую систему управления вертолетом путем изменения положения силовой установки относительно несущей рамы.Due to the above advantages, the weight of the aircraft is significantly reduced and the payload weight is increased. A disk-shaped engine, rotating in a plane, creates a powerful gyroscopic effect, which allows you to keep the aircraft in a given plane. The motor frame, in essence, made it possible to create a power plant, which is easy and convenient to install as a single unit on a hinge, which, in turn, made it possible to create a simple helicopter control system by changing the position of the power plant relative to the supporting frame.

Принципиальное значение для вертолета соосной схемы имеет расстояние между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов. Увеличение расстояния между винтами утяжеляет и усложняет конструкцию колонки, ухудшает устойчивость движения вертолета по земле. Уменьшение же этого расстояния вызывает опасность схлестывания противоположно вращающихся лопастей верхнего и нижнего винтов. Поэтому добиваются рационального компромиссного решения, при этом практически расстояние между винтами составляет около 10% их диаметра.Of fundamental importance for a helicopter coaxial scheme is the distance between the planes of rotation of the upper and lower screws. Increasing the distance between the screws makes the column design more difficult and complicated, and the helicopter’s ground motion stability is impaired. Reducing this distance causes a risk of overlapping of the opposite rotating blades of the upper and lower screws. Therefore, they seek a rational compromise solution, while in practice the distance between the screws is about 10% of their diameter.

При такой компоновке несущей системы верхний винт засасывает воздух и создает струю, отбрасываемую на нижний винт, несколько ухудшая условия обтекания лопастей последнего. Тем не менее суммарная сила тяги соосной несущей системы лишь ненамного меньше суммы сил тяги двух этих же изолированных винтов, причем сила тяги и потребная мощность распределяются между верхним и нижним винтами почти поровну. Основной недостаток соосной схемы - сложность конструкции колонки несущих винтов.With this arrangement of the carrier system, the upper screw sucks in air and creates a jet thrown to the lower screw, somewhat worsening the flow conditions around the blades of the latter. Nevertheless, the total traction force of the coaxial bearing system is only slightly less than the sum of the traction forces of these two isolated screws, and the traction force and the required power are distributed almost equally between the upper and lower screws. The main disadvantage of the coaxial circuit is the complexity of the design of the rotor column.

У вертолета соосной схемы рулевой винт в принципе отсутствует, однако конструкция системы двух несущих винтов достаточно сложна, так как требует специальной втулки. Ведь втулка должна обеспечить вращение двух разнесенных по высоте винтов в противоположные стороны с одинаковой частотой, что и представляет основную трудность. Конструктивно это осуществляют следующим образом: вал верхнего винта проходит внутри полого вала нижнего, а синхронизация вращения винтов в противоположные стороны обеспечивается главным редуктором. Втулки и автоматы перекоса верхнего и нижнего несущих винтов, механизмы общего и дифференциального шага объединены в так называемую колонку - наиболее сложный механический агрегат соосного вертолета.In a helicopter of a coaxial design, the steering rotor is basically absent, however, the design of the system of two rotors is rather complicated, as it requires a special sleeve. After all, the sleeve must ensure the rotation of two screws spaced in height in opposite directions with the same frequency, which is the main difficulty. Structurally, this is carried out as follows: the shaft of the upper screw passes inside the hollow shaft of the lower, and synchronization of rotation of the screws in opposite directions is provided by the main gearbox. The bushings and swash plates of the upper and lower rotors, the mechanisms of the general and differential pitch are combined in the so-called column - the most complex mechanical assembly of a coaxial helicopter.

Исключение схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов в любых условиях полета обеспечено главным образом разносом плоскостей вращения винтов на расстояние около 10% их диаметра. При этом, однако, как уже отмечалось ранее, высокая колонка и увеличенная площадь несущей системы ограничивают максимальную скорость полета вертолета из-за вредного лобового сопротивления, а высокое расположение центра масс ухудшает устойчивость вертолета на земле. При обычной конструкции соосной несущей системы преодолеть этот недостаток практически невозможно.The exception of the overlapping of the blades of the upper and lower propellers in any flight conditions is provided mainly by the spacing of the planes of rotation of the propellers at a distance of about 10% of their diameter. At the same time, however, as already noted, the high column and the increased area of the supporting system limit the maximum flight speed of the helicopter due to harmful drag, and the high location of the center of mass impairs the stability of the helicopter on the ground. With a conventional coaxial support system design, this drawback is virtually impossible to overcome.

Описываемый вертолет соосной схемы дает возможность использовать винты с жесткими, относительно короткими лопастями, жестко закрепленными на втулке, как лопасти воздушных винтов самолетов и гребных винтов кораблей. Это позволяет устанавливать несущие винты с расстоянием между лопастями по вертикали, составляющим всего лишь от 6 до 7% от диаметра винта. Благодаря такой конструкции высота, площадь и лобовое сопротивление вертолета значительно меньше, чем у обычных соосных вертолетов, меньше и аэродинамическое взаимовлияние винтов, срыв потока с отстающих лопастей одного винта компенсируется повышенной аэродинамической нагрузкой опережающих лопастей другого винта на том же азимуте. Как следствие, у вертолета удалось уменьшить размер как по высоте, так и по длине, что качественно влияет на полетные качества и расширяет области его применения. Благодаря небольшим размерам и весу вертолет не нуждается ни в каких взлетнопосадочных площадках, прост в управлении и не требует специальных навыков пилотирования. Экспериментальные вертолеты, созданные по этому принципу, демонстрируют замечательные летные качества: максимальную скорость свыше 400 км/ч, потолок полета более 7000 м, скороподъемность свыше 20 м/с, хорошую управляемость и маневренность, сравнительно низкий уровень вибраций конструкции.The described coaxial helicopter makes it possible to use propellers with rigid, relatively short blades rigidly fixed to the hub, like propeller blades of aircraft and ship propellers. This allows the installation of rotors with a vertical spacing between the blades of only 6 to 7% of the screw diameter. Thanks to this design, the height, area and drag of the helicopter are much smaller than that of conventional coaxial helicopters, the aerodynamic interference of the screws is less, the flow disruption from the lagging blades of one rotor is compensated by the increased aerodynamic load of the leading blades of the other rotor at the same azimuth. As a result, the helicopter managed to reduce the size both in height and in length, which qualitatively affects the flight performance and expands the scope of its application. Due to its small size and weight, the helicopter does not need any landing sites, is easy to operate and does not require special piloting skills. Experimental helicopters created according to this principle demonstrate remarkable flying qualities: maximum speed of more than 400 km / h, flight ceiling of more than 7000 m, rate of climb of more than 20 m / s, good controllability and maneuverability, relatively low level of vibration of the structure.

На фиг.1 схематически представлен вид сбоку на вертолет, на фиг.2 представлен один из вариантов выполнения моторной рамы и на фиг.3 - внешний вид моторной рамы.Figure 1 schematically shows a side view of a helicopter, figure 2 shows one of the embodiments of the motor frame, and figure 3 is an external view of the motor frame.

Вертолет содержит несущую раму 1, на которой на шарнире 2 (шарнирная траверса), установленном соосно оси валов отбора мощности, установлен двигатель 3 с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами 4. Двигатель 3 с несущими винтами 4 установлен внутри моторной рамы 5. Двигатель 3 размещен между несущими винтами 4. В качестве двигателя 3 использован звездообразный двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением и вращающимся блоком цилиндров, выполненный с двумя выходными валами 6 и 7 отбора мощности, выходные участки которых расположены соосно и с противоположных сторон двигателя 3 с вращением валов отбора мощности в противоположные стороны и с компенсацией крутящего момента. Несущие винты 4 выполнены с постоянным шагом.The helicopter contains a supporting frame 1, on which a motor 3 is mounted on a hinge 2 (articulated beam) coaxial to the axis of the power take-off shafts. The rotors 4 are coaxially rotated in opposite directions 4. The rotor 3 with the rotors 4 is installed inside the motor frame 5. Engine 3 placed between the rotors 4. As a motor 3, a star-shaped internal combustion engine with air cooling and a rotating cylinder block made with two output shafts 6 and 7 of the power take-off is used, output sections which are arranged coaxially and on opposite sides of the engine 3 with the rotation of the PTO shaft in opposite directions and with compensation torque. The rotors 4 are made with a constant pitch.

Моторная рама 5 с двигателем 3 и несущими винтами 4 соединена с несущей рамой 1 в двух точках, а именно посредством шарнира 2 по центру и телескопической стойкой 8 в задней части несущей рамы 1. Моторная рама 5 может быть в плоскости вращения винтов 4, может быть круглой (см. фиг.2), в виде сектора или полукруга (на чертеже не представлены).The motor frame 5 with the engine 3 and the rotors 4 is connected to the supporting frame 1 at two points, namely, through the center hinge 2 and the telescopic strut 8 at the rear of the supporting frame 1. The motor frame 5 can be in the plane of rotation of the screws 4, can be round (see figure 2), in the form of a sector or a semicircle (not shown in the drawing).

Шарнир 2 и телескопическая стойка 8 обеспечивают угол наклона двигателя 3 с несущими винтами 4 в плоскости для обеспечения горизонтального полета и с требуемой продольной скоростью полета.The hinge 2 and the telescopic stand 8 provide an angle of inclination of the engine 3 with the rotors 4 in the plane to ensure horizontal flight and with the desired longitudinal flight speed.

Несущая рама 1 может быть выполнена из легких трубчатых конструкций и может использоваться как пилотская кабина для управляемого пилотом вертолета, а также для размещения на ней полезной нагрузки беспилотного вертолета. Возможно выполнение вертолета с кабиной обтекаемой формы.The supporting frame 1 can be made of light tubular structures and can be used as a pilot cabin for a helicopter controlled by a pilot, as well as for placing a payload of an unmanned helicopter on it. It is possible to carry out a helicopter with a streamlined cabin.

За кабиной пилота может находиться компрессор (не показан) для нагнетания воздуха в двигатель 3. Воздух от компрессора в этом случае подается в двигатель 3 по трубопроводам, расположенным по конструкции несущей рамы 1 и моторной рамы 5. Подача топлива осуществляется электрическим насосом из бензобака (не показаны), которые можно расположить за пилотской кабиной. Аккумулятор и пусковое устройство так же могут быть размещены за пилотской кабиной. В задней части несущей рамы 1 за телескопической стойкой 8 установлен стабилизационный руль 9, привод которого осуществляется при помощи тросовых тяг. Несущая рама 1 может иметь три точки опоры: переднее колесо 10 с независимым углом поворота и два задних колеса 11, имеющих общую ось с амортизаторами. Несущая рама 1 может быть выполнена с опорой без колес.Behind the cockpit there may be a compressor (not shown) for pumping air into the engine 3. Air from the compressor in this case is supplied to the engine 3 through pipelines arranged according to the design of the carrier frame 1 and the motor frame 5. Fuel is supplied by an electric pump from the gas tank (not shown), which can be located behind the pilot's cabin. The battery and starter can also be placed behind the pilot's cabin. In the rear part of the supporting frame 1 behind the telescopic rack 8 is installed stabilization steering wheel 9, the drive of which is carried out using cable rods. The supporting frame 1 can have three points of support: the front wheel 10 with an independent angle of rotation and two rear wheels 11 having a common axis with shock absorbers. The supporting frame 1 can be made with support without wheels.

Моторная рама 5 может быть выполнена из трубчатых элементов круглой, квадратной, сегментной, Г и П-образной формы, при этом моторная рама 5 состоит из двух, расположенных одно над другим оснований 13 (круглых, полукруглых или в виде сектора), соединенных между собой по периметру стойками 14, а двигатель 3 с несущими винтами 4 установлен внутри моторной рамы 5 посредством спиц 15.The motor frame 5 can be made of tubular elements of round, square, segment, G and U-shape, while the motor frame 5 consists of two bases 13 located one above the other (round, semicircular or in the form of a sector), interconnected along the perimeter of the uprights 14, and the engine 3 with the rotors 4 is installed inside the motor frame 5 by means of spokes 15.

Использование вертолета заключается в запуске двигателя 3 и управлении вертолетом путем изменения угла наклона двигателя 3 с несущими винтами 4 относительно несущей рамы 1, например, с помощью ручки управления 12.The use of a helicopter is to start the engine 3 and control the helicopter by changing the angle of inclination of the engine 3 with the main rotors 4 relative to the main frame 1, for example, using the control knob 12.

Простой в изготовлении и эксплуатации вертолет может найти применение как индивидуальный вид транспорта в условиях бездорожья. Они могут стать основой для привлечения молодежи к авиационному спорту наравне с моторными дельтапланами.Easy to manufacture and operate a helicopter can find application as an individual form of transport in off-road conditions. They can become the basis for attracting young people to aviation sport along with motor hang gliders.

Claims

A helicopter containing a supporting frame on which the chassis is mounted, a stabilization steering wheel with rods, a cabin and a fuel tank, a power unit and two coaxial rotors rotating in opposite directions, characterized in that the power unit is made in the form of a motor frame and a star-shaped internal combustion engine with air cooling, a rotating cylinder block and two output power take-off shafts located coaxially and from opposite sides of the engine with the possibility of their rotation in opposite directions, m an engine with rotors is installed inside the engine frame, the engine itself is placed between the rotors, the latter are made with a constant step, the engine frame is connected to the support frame by a hinged traverse mounted coaxially to the axis of the power take-off shafts, and a telescopic stand located behind the cab on the peripheral part of the motor the frame, while between the telescopic stand and the cabin there is a fuel tank, and behind the telescopic stand - stabilization steering wheel.