RU2396184C1 - Винтокрыл гребенюка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха, в частности к винтокрылам, вертолетам. Винтокрыл содержит двигатель, кабину, шасси, воздухозаборник, топливные баки. Он снабжен ротором, выполненным в виде фермы двояковыпуклой формы, с возможностью вращения вокруг вертикальной оси ротора, расположенными с двух сторон по центру ротора отверстиями, выполненными в виде усеченных конусов, обращенных во внутрь ротора меньшими основаниями. Винтокрыл снабжен монтажным корпусом, размещенным внутри ротора, механизмом стабилизации монтажного корпуса, выполненным в виде зубчатых венцов с внутренним на роторе, наружным на корпусе зацеплением и связанных промежуточной шестерней, механизмом фиксации ротора относительно монтажного корпуса, выполненным в виде плунжерного механизма, газовым рулем, связанным каналами с камерой распределения потоков газа попарно крестообразно и в каждой паре диаметрально расположенными в роторе аэродинамическими пустотелыми поверхностями с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора. Аэродинамические поверхности внутри разделены герметичной перегородкой, делящей их на два отсека, связанных с атмосферой, причем нижний отсек соединен каналом дополнительно с камерой распределения потоков газа, а верхний - с воздухозаборником, лопатками, смонтированными по периметру выхлопного отверстия нижней части ротора, с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора. Поршень плунжерного механизма размещен в монтажном корпусе, а шток взаимодействует с фиксирующими углублениями в стенке отверстия ротора, камерой распределения потока газов, размещенной в нижней части монтажного корпуса, связанной каналом с нагнетающей камерой двигателя. Ротор нижним основанием шарнирно смонтирован на шасси, а кабина смонтирована в верхней части ротора над аэродинамическими поверхностями. Достигается повышение безопасности, увеличение скорости полета и повышение маневренности летательного аппарата. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха, у которых подъемная сила и пропульсивная сила для горизонтального полета создаются несущими винтами или дополнительно с помощью толкающего винта, или с помощью реактивной тяги, в частности к винтокрылам, вертолетам.

Известные вертолеты построены по нескольким основным схемам: с перекрещивающимися осями винтов, продольная схема, одновинтовая схема, соосная схема и поперечная схема. (Краткая Российская энциклопедия, том 1, стр.453-454, Москва, БРЭ, ОНИКС 21 век, 2003). По таким схемам строили вертолеты КБ Миля, Камова, Яковлева в СССР и в последующем строят в Российской федерации, в США компании Катан, Sikorsky, Bell и Boeing и др. (Журнал «Популярная механика» №8, август 2008 г., стр.40-42). Конструктивно эти вертолеты содержат фюзеляж, горизонтально расположенные над фюзеляжем винты, двигатель, кабину, шасси. Винты, вращаясь, отрывают вертолет от земли и поднимают его в воздух. Отклоняя ручку управления или ножную педаль, пилот воздействует на автоматы перекоса несущих винтов. Они меняют плоскости вращения. Винты наклоняются вправо, влево, вперед и назад. При одновременном наклоне винтов в одну сторону вертолет приобретает горизонтальное движение в нужном направлении. Путем отклонения винтов в разные стороны осуществляется поворот вертолета.

К недостаткам указанных схем необходимо отнести то, что они не обеспечивают высокую скорость горизонтального полета, которая находится в пределах 350-370 км/час. Другим недостатком является недостаточная безопасность полета, например при непредвиденной остановке двигателя вертолет падает, т.к. из-за отсутствия крыльев он не может спланировать посадку. Еще одним недостатком является то, что в случае аварии в нем не возможно вертикальное катапультирование из-за винтов.

Над решением этих проблем работает конструкторская мысль многих отечественных и зарубежных фирм. Фирма Сикорский (США) изготовила модель Sikorsky Х2, которая представляет собой машину с соосным несущим и дополнительным толкающим винтами, отечественные - КБ Камова, модель К92 отличается наличием толкающего винта, Миля, модель Ми-XI - это вертолет традиционной схемы с несущим, рулевым и дополнительным толкающим винтами. Эти модели должны преодолеть рубеж скорости горизонтального полета 400 км/час, а вопрос катапультирования остается открытым. (Журнал «Популярная механика» №8, август 2008 г., стр.38-42).

За прототип принят вертолет Sikorsky S-72 фирмы Sikorsky, США. Это гибридная платформа с несущим крылом, основным горизонтально расположенным над фюзеляжем четырехлопастным ротором и рулевым ротором, размещенным в задней части фюзеляжа, а также двумя реактивными двигателями. (Журнал «Популярная механика» №8, 2008 г., стр.40).

Фирма Sikorsky близко подошла к решению проблемы безопасности. Основной ротор в машине сбрасываемый, если в полете что-то произошло, пилот нажатием кнопки на панели управления сбрасывает ротор и вертолет превращается в реактивный самолет или экипаж может следом катапультироваться. К недостатку этой конструкции можно отнести ее сложность из-за наличия двух видов двигателя - лопастного и реактивного. В целом трудно определиться, что в S-72 больше вертолета или самолета, но можно сказать, что это самолет с вертикальным взлетом и посадкой, в котором использованы элементы вертолета, и тогда ему присущи недостатки упомянутых выше вертолетных схем.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания винтокрыла (вертолета) для различных целей, который решал бы следующие вопросы:

- обеспечение действенной безопасности полетов, что достигается размещением кабины над вращающимися аэродинамическими поверхностями, создающими более высокую подъемную силу и обеспечение катапультирования экипажа из кабины; за счет большого запаса инерции вращения и большой площади аэродинамических поверхностей, их ротации и регулирования угла атаки обеспечивается планирование винтокрыла (вертолета) даже в случае остановки двигателя; вращающийся ротор с аэродинамическими поверхностями имеет большой запас потенциальной энергии центробежных сил, что стабилизирует устойчивость по принципу «гидростабилизированной платформы», обеспечивая безопасность полетов при сильном боковом ветре;

- другой задачей заявляемого изобретения является повышение крейсерской скорости винтокрыла, превышающей достигнутую в настоящее время 400-450 км/час, которая будет достигаться путем истечения газов из газотурбинного или иного двигателя аналогичного назначения через газовый руль, который может менять свое положение от вертикального до горизонтального, соответственно изменять направление истечения газов, создавая толкающее винтокрыл усилие и перевод поперечной пары аэродинамических поверхностей в вертикальное положение;

- еще одной задачей является повышение маневренности винтокрыла, которая достигается поворотом газового руля;

нами поставлена задача увеличения подъемной силы аэродинамических плоскостей за счет увеличения их площади, а конструкция ротора позволяет это сделать путем создания разреженного воздушного пространства над вращающейся плоскостью и одновременного создания нагнетания горячего воздушного потока под плоскостью;

- повышение боевых свойств вертолета за счет размещения ракет по периметру ротора с компьютерным их управлением из кабины, т.е. обеспечивается защита и нападение.

Устройство вертолета поясняется чертежом, где на фиг.1 - вид в плане вертолета с частичным вырывом; на фиг.2 - то же, вид сверху с вырывом; на фиг.3 - показано положение аэродинамических поверхностей при крейсерской скорости полета.

Винтокрыл содержит ротор 1, выполненный в виде фермы двуяковыпуклой формы состоящей из верхней 2 и нижней 3 частей, сопряженных по бокам 4 и 5 и посредством обода 6 жестко связанных между собой. По центру ротора выполнены в виде усеченных конусов, обращенных во внутрь ротора меньшими основаниями, отверстия 7 вверху и 7А внизу, связанные с обечайками 7Б и 7В. В роторе установлен монтажный корпус 8, в котором смонтирован газотурбинный двигатель 9 (на чертеже его устройство показано не полностью) с компрессором 10 известных конструктивных решений. В качестве двигателя может использоваться двигатель внутреннего взрыва, ядерный или ракетный. Двигателей может быть несколько. Вал 11 компрессора 10 имеет рабочее колесо 12 и, как частный случай, вал 11 соосен оси ротора 1. В верхней части конусообразного отверстия 7 ротора 1 на подшипниках 13А смонтирован воздухозаборник 13, жестко связанный с монтажным корпусом 8. Над воздухозаборником 13А смонтирована и связана с ним кабина 14 для размещения обслуживающего персонала, в ее фонаре предусмотрены окна 15 для вертикального катапультирования. Ротор 1 установлен и на подшипниках 16, закрепленных на монтажном корпусе 8. Механизм стабилизации 17 корпуса 8 выполнен в виде зубчатых венцов с внутренним 18 на роторе 1 и наружным 19 на монтажном корпусе зацеплением, связанных посредством промежуточной шестерни 20. Механизм фиксации 21 ротора 1 относительно монтажного корпуса 8 выполнен в виде плунжерного механизма, поршень 22 которого размещен в корпусе 8, а шток 23 взаимодействует с предусмотренными в стенке отверстия ротора 1 углублениями. В нижней части корпуса 8 размещена камера 24 распределения потока газов, связанная каналом 25 с нагнетающей камерой газотурбинного двигателя и посредством газового спрямляющего аппарата 26 с закрепленным шарнирно на ней газовым рулем 27, который может поворачиваться под любым углом к вертикальной оси ротора 1, и связанного каналами 28 с камерой распределения потока газов. В роторе 1 по линии сопряжения верхней 2 и нижней 3 части смонтированы пустотелые аэродинамические поверхности 29. Их может быть, по меньшей мере, пара 29 и 29А, диаметрально расположенных, или четыре 29, 29А, 29Б и 29В крестообразно расположенных, которые служат главным образом для создания подъемной силы. На поверхностях 29 размещены аэродинамические ребра 30, а внутри они разделены герметично перегородками 31, делящими поверхности внутри на два отсека - верхний 32 и нижний 33. Оба отсека связаны с атмосферой посредством множества отверстий 34. Верхние 32 отсеки соединены каналом 35 с воздухозаборником 13А, а нижние отсеки 33 соединены каналом 36 с камерой 24. Поверхности 29 смонтированы с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора 1 посредством привода 37 с дистанционным управлением из кабины 14. На выходе отверстия нижней части 3 ротора 1 по его периметру смонтированы лопатки 38 с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора 1. Ротор 1 посредством радиальных ребер 39 размещен шарнирно на подшипниках 39А в шасси 40 с амортизаторами 41. Внутри корпуса установлены топливные баки 42, а дополнительные 43 размещены в ободе 6, который может иметь в поперечном сечении форму кольца, многогранника или другую пустотелую форму. Дополнительные топливные баки 43 могут быть сброшены попарно по команде оператора, дистанционно управляющего ими в случае чрезвычайного происшествия.

Винтокрыл работает следующим образом.

После запуска газотурбинного двигателя (или любого другого аналогичного двигателя) раскаленный газ по каналу 25 из его нагнетающей камеры попадает на рабочее колесо 12 газотурбинного двигателя и приводит его вал 10 во вращение, а через спрямляющий аппарат 26 воздействует на лопатки 38, вследствие чего получает вращение ротор 1 вокруг вертикальной оси. Приводом 37 поворачиваем вокруг их продольной оси под углом атаки для изменения подъемной силы аэродинамические поверхности 29 и 29 и 29А, 29Б, 29В, тем самым обеспечиваем вертикальный взлет винтокрыла. Дополнительную подъемную силу создает выходящий из газового руля 27 раскаленный газ. Вертикальное положение руля 27 обеспечивает вертикальный полет, а поворотом поверхностей 29Б и 29 В из горизонтального в вертикальное (фиг.3) и изменением угла наклона газового руля 27 переводим винтокрыл из вертикального подъема в горизонтальный полет. Кроме того, подъемную силу создает подача под давлением по каналу 36 раскаленного газа в нижние отсеки 33, с одновременным откачиванием воздуха из верхнего отсека 32 компрессором по каналам 35. За счет разности давлений над поверхностью 29 и избыточного давления, создаваемого горячим газом под поверхностью 29, создается реальная подъемная сила, дополнительная к вращающимся поверхностям 29, 29А, 29Б и 29В.

Скорость вращения ротора 1 регулируется дистанционно из кабины 14 изменением угла наклона лопаток 38. Для предотвращения самопроизвольного вращения корпуса 8 служит механизм стабилизации 17, в котором, увеличивая или уменьшая скорость вращения промежуточной шестерни 20, достигается определенное относительное вращение ротора 1 и корпуса 8, при котором корпус 8 остается в требуемом положении относительно траектории полета винтокрыла.

При скорости полета винтокрыла, превышающей, например, 400 км/час, с помощью системы управления полетом останавливается принудительное вращение ротора 1, которое достигается поворотом поверхностей 29, 29А в горизонтальное положение и лопаток 38 ротора 1. Остановка ротора 1 стопорится механизмом фиксации 21.

В режиме крейсерского полета свыше 400 км/час поверхности 29 и 29А превращаются в крылья самолета, а поверхности 29Б и 29В - в стабилизаторы и рули. В этом режиме полета газотурбинный двигатель развивает максимальные обороты, и исходящие раскаленные газы создают толкающую силу, обеспечивающую максимальную скорость полета, аналогично газотурбинному двигателю самолета. При этом полет может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

В случае необходимости покинуть винтокрыл в фонаре кабины предусмотрены окна и система безопасного вертикального катапультирования.

Заявленная конструкция винтокрыла обладает высокой безопасностью полета; вращающийся ротор с широкими аэродинамическими поверхностями обладает большим запасом инерции вращения, что обеспечивает планирование вертолета в случае непредвиденной остановки двигателя и возможности благополучной посадки благодаря ротации вращающихся поверхностей с регулируемым углом атаки поверхностей.

Claims (9)

1. Винтокрыл, содержащий двигатель, кабину, шасси, воздухозаборник, топливные баки, отличающийся тем, что он снабжен ротором, выполненным в виде фермы двояковыпуклой формы с возможностью вращения вокруг вертикальной оси ротора, расположенными с двух сторон по центру ротора отверстиями, выполненными в виде усеченных конусов, обращенных вовнутрь ротора меньшими основаниями, монтажным корпусом, размещенным внутри ротора, механизмом стабилизации монтажного корпуса, выполненным в виде зубчатых венцов с внутренним на роторе, наружным на корпусе зацеплением и связанных промежуточной шестерней, механизмом фиксации ротора относительно монтажного корпуса, выполненным в виде плунжерного механизма, поршень которого размещен в монтажном корпусе, а шток взаимодействует с фиксирующими углублениями в стенке отверстия ротора, камерой распределения потока газов, размещенной в нижней части монтажного корпуса, связанной каналом с нагнетающей камерой двигателя, газовым рулем, смонтированным шарнирно в нижней части камеры распределения потока газов с возможностью его поворота под любым углом к вертикальной оси ротора и связанным каналами с камерой распределения потоков газа, по меньшей мере, попарно крестообразно и в каждой паре диаметрально расположенными в роторе аэродинамическими пустотелыми поверхностями с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора, при этом аэродинамические поверхности внутри разделены герметичной перегородкой, делящей их на два отсека, связанных с атмосферой, причем нижний отсек соединен каналом дополнительно с камерой распределения потоков газа, а верхний - с воздухозаборником, лопатками, смонтированными по периметру выхлопного отверстия нижней части ротора с возможностью их поворота вокруг поперечной оси ротора, при этом ротор нижним основанием шарнирно смонтирован на шасси, а кабина смонтирована в верхней части ротора над аэродинамическими поверхностями.

2. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборник смонтирован на подшипниках в верхней части конусообразного отверстия ротора и жестко связан с монтажным корпусом.

3. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что компрессор является составной частью газотурбинного двигателя, а вал компрессора с крыльчатками и лопатками соосен с осью ротора, при этом его верхняя крыльчатка размещена у воздухозаборника, а нижние лопатки размещены в камере распределения потока газа.

4. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что снабжен ободом, связывающим верхнюю и нижнюю части ротора и имеющим в поперечном сечении форму кольца.

5. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что он снабжен приводом поворота аэродинамических поверхностей вокруг поперечной оси ротора.

6. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что топливные баки размещены внутри ротора.

7. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными топливными баками, размещенными в ободе с возможностью их сбрасывания попарно.

8. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя используется газотурбинный двигатель, двигатель внутреннего взрыва, ядерный двигатель, ракетный двигатель.

9. Винтокрыл по п.1, отличающийся тем, что двигатель может быть не один.

Images