RU2503589C1

RU2503589C1 - Vtol aircraft control

Info

Publication number: RU2503589C1
Application number: RU2012128601/11A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Евгеньевич Кудряшов; Николай Александрович Морозов; Сергей Александрович Нестеров
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-10

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to rotorcraft, namely, to VTOL aircraft. Method of control over VTOL aircraft with disc-shape or toroidal fuselage with rotors, their fulcrums aligned with fuselage axis, located inside the duct formed by fuselage or above it, comprises fitting toroidal sealed vessel in said fuselage to be filled with fluid and using fluid redistribution means. Redistribution of fluid in toroidal sealed vessel ensures variation and/or location of aircraft centre of gravity relative to engine thrust application point. Note here that the latter is located above aircraft centre of gravity. Aircraft displacement in space is ensured by shifting its centre of gravity in direction aligned with required flight direction and by increasing or decreasing engine thrust.

EFFECT: simplified design, higher reliability.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, а именно к способу управления ориентацией и направлением полета летательных аппаратов дискового типа вертикального взлета и посадки.The invention relates to the field of aviation, and in particular to a method for controlling the orientation and direction of flight of aircraft of the disk type of vertical take-off and landing.

В настоящее время существует большое количество различных способов и конструктивных решений для управления полетом летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Они заключаются в изменении направления протекания аэродинамических потоков при помощи разного рода заслонок, закрылок, изменением положения и вектора тяги двигателя относительно корпуса и т.д.Currently, there are a large number of different methods and design solutions for controlling the flight of aircraft of vertical takeoff and landing. They consist in changing the direction of the flow of aerodynamic flows using various kinds of dampers, flaps, changing the position and thrust vector of the engine relative to the body, etc.

Известен способ управления дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом (Патент РФ №2021165, МПК В64С 29/00, В64С 15/00, 1994 г.) с соосными несущими винтами, заключающийся в регулировке курсового угла с помощью газодинамических органов управления, размещенных в хвостовой части летательного аппарата, угла крена - с помощью газодинамических органов управления, размещенных по бортам летательного аппарата, скорости полета - путем разворота летательного аппарата на необходимый отрицательный угол атаки с помощью газодинамической системы управления по тангажу, размещенной в хвостовой части летательного аппарата, и одновременно с разворотом по углу атаки изменением числа оборотов двигателя, а высоты полета - изменением числа оборотов двигателя.A known method of controlling a remotely piloted aircraft (RF Patent No. 2021165, IPC V64C 29/00, V64C 15/00, 1994) with coaxial rotors, which consists in adjusting the course angle using gas-dynamic controls located in the tail of the aircraft apparatus, roll angle - with the help of gas-dynamic controls placed along the sides of the aircraft, flight speed - by turning the aircraft to the required negative angle of attack using a gas-dynamic control system pitch, located in the rear of the aircraft, and simultaneously with the rotation in the angle of attack by a change in the engine speed, and the flight altitude - by a change in the engine speed.

Также известен способ управления летательным аппаратом (Патент РФ №2062246, МПК В64С 29/00, 1996 г.), предусматривающий использование тороидального фюзеляжа, концентричного с осью несущих винтов и образующего канал, имеющий входное отверстие для воздуха и два вращающихся в противоположном направлении несущих винта, расположенных внутри канала, образованного фюзеляжем, для вращения вокруг оси вращения, которая совпадает с осью фюзеляжа, и приложение дифференциального и общего шага к вращающимся в противоположные стороны несущим винтам для управления летательным аппаратом по рысканью, в котором осуществляют совместное изменение общего шага лопастей несущих винтов для управления подъемом летательного аппарата, циклическое изменение шага лопастей несущих винтов для управления летательным аппаратом по крену и тангажу и при полете вперед выборочное применение циклического шага для создания момента несущих винтов, действующего в направлении, противоположном моменту кабрирования фюзеляжа, вызываемому дифференциальным распределением вокруг тороидального фюзеляжа скорости воздушного потока, входящего в указанный канал несущих винтов.Also known is a control method for an aircraft (RF Patent No. 2062246, IPC ВСС 29/00, 1996), which provides for the use of a toroidal fuselage concentric with the axis of the rotors and forming a channel having an air inlet and two rotors rotating in the opposite direction located inside the channel formed by the fuselage, for rotation around the axis of rotation, which coincides with the axis of the fuselage, and the application of the differential and total pitch to the rotors rotating in opposite directions for controlling yawing the aircraft, in which they jointly change the total pitch of the rotor blades to control the lift of the aircraft, cyclically change the pitch of the rotor blades to control the aircraft in roll and pitch, and when flying forward, selectively apply the cyclic pitch to create the moment of the rotors, acting in the direction opposite to the moment of fuselage cabling caused by the differential velocity distribution around the toroidal fuselage stuffy flow entering the specified channel of the rotors.

Недостатком известных способов является необходимость наличия сложной системы распределения и направления газодинамических потоков, предполагающей большое количество задвижек и направляющих, имеющих сложный механический привод, что уменьшает надежность летательного аппарата.A disadvantage of the known methods is the need for a complex distribution system and direction of gas-dynamic flows, involving a large number of valves and guides having a complex mechanical drive, which reduces the reliability of the aircraft.

Авторам не известны способы управления полетом, осуществляемые с помощью изменения положения центра масс летательного аппарата.The authors are not aware of flight control methods implemented by changing the position of the center of mass of the aircraft.

Техническим результатом является создание простого и надежного способа управления летательным аппаратом вертикального взлета и посадки.The technical result is the creation of a simple and reliable way to control the aircraft vertical takeoff and landing.

Технический результат достигается тем, что в способе управления летательным аппаратом вертикального взлета и посадки, предусматривающем использование дискообразного или тороидального фюзеляжа с несущими винтами, ось вращения которых совпадает с осью фюзеляжа, расположенными внутри канала, образованного фюзеляжем, или выше его, в фюзеляже по периферии устанавливают тороидальный герметичный резервуар, заполненный жидкой средой, и средства, обеспечивающие перераспределение жидкой среды в тороидальном герметичном резервуаре, перераспределяют жидкую среду в тороидальном герметичном резервуаре, обеспечивая изменение и/или фиксацию положения центра масс летательного аппарата относительно оси приложения силы тяги двигателя, при этом точка приложения тяговой силы двигательного устройства расположена выше центра масс летательного аппарата. Зависание аппарата обеспечивают фиксацией положения центра масс летательного аппарата на линии приложения силы тяги двигателя при равенстве подъемной силы и силы тяжести, действующих на летательный аппарат. Движение по наклонной траектории вверх обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, и одновременно увеличивая силу тяги двигателя. Движение по наклонной траектории вниз обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, одновременно уменьшая силу тяги двигателя. Движение в горизонтальной плоскости обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, одновременно увеличивая или уменьшая силу тяги двигателя, пока ее вертикальная составляющая не станет равной гравитационной силе, действующей на летательный аппарат. Тороидальный герметичный резервуар может быть выполнен из эластичного материала, при этом перераспределение жидкой среды производят механическими средствами, изменяя форму тороидального герметичного резервуара. В качестве жидкой среды может быть применена магнитная жидкость, при этом перераспределение жидкой среды производят изменяя значения напряженности магнитного поля по длине тороидального герметичного резервуара, который выполнен из немагнитного материала.The technical result is achieved by the fact that in the method of controlling an aircraft of vertical take-off and landing, involving the use of a disk-shaped or toroidal fuselage with rotors, the axis of rotation of which coincides with the axis of the fuselage located inside the channel formed by the fuselage, or above it, in the fuselage around the periphery toroidal sealed tank filled with a liquid medium, and means for redistributing a liquid medium in a toroidal sealed tank, redistribution distribute the liquid medium in a toroidal sealed tank, providing a change and / or fixing the position of the center of mass of the aircraft relative to the axis of application of the engine's traction force, while the point of application of the traction force of the engine device is located above the center of mass of the aircraft. The hovering of the apparatus is ensured by fixing the position of the center of mass of the aircraft on the line of application of the engine thrust force when the lifting force and gravity acting on the aircraft are equal. Movement along an inclined path upward is provided by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, and at the same time increasing the thrust of the engine. Movement along an inclined trajectory downward is provided by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, while simultaneously reducing the thrust of the engine. Movement in the horizontal plane is ensured by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, while simultaneously increasing or decreasing the thrust of the engine until its vertical component becomes equal to the gravitational force acting on the aircraft. The toroidal sealed tank can be made of elastic material, while the redistribution of the liquid medium is performed by mechanical means, changing the shape of the toroidal sealed tank. Magnetic liquid can be used as a liquid medium, while the redistribution of the liquid medium is carried out by changing the values of the magnetic field along the length of the toroidal sealed tank, which is made of non-magnetic material.

На чертеже изображена схема возникновения пары сил и создания крена летательного аппарата при смещении центра масс с оси приложения силы тяги двигателя.The drawing shows a diagram of the occurrence of a pair of forces and the creation of the roll of the aircraft when the center of mass is displaced from the axis of application of the engine's thrust force.

Способ реализуется следующим образом. После вертикального взлета летательного аппарата, точка приложения силы тяги двигателя которого расположена выше центра масс, перераспределяют жидкую среду в тороидальном герметичном резервуаре, смещая центр масс аппарата. Перераспределение жидкой среды производят механическими средствами, изменяя форму тороидального герметичного резервуара. При использовании в качестве жидкой среды магнитной жидкости перераспределение жидкой среды производят изменяя значения напряженности магнитного поля по длине тороидального герметичного резервуара, выполненного из немагнитного материала.The method is implemented as follows. After the vertical take-off of the aircraft, the point of application of the engine thrust force which is located above the center of mass, redistribute the liquid medium in a toroidal sealed tank, displacing the center of mass of the device. Redistribution of the liquid medium is carried out by mechanical means, changing the shape of a toroidal sealed tank. When using magnetic fluid as a liquid medium, the redistribution of the liquid medium is carried out by changing the magnetic field strength along the length of a toroidal sealed tank made of non-magnetic material.

В результате перераспределения жидкой среды в тороидальном герметичном резервуаре центр масс аппарата смещается с линии приложения силы тяги двигателя (см. чертеж). Сила тяжести и сила тяги двигателя создают пару сил, момент которой вызывает крен корпуса до тех пор, пока вертикальная линия, проходящая через центр масс аппарата, не пересечется с линией, совпадающей с вектором силы тяги двигателя. В этом положении вектор силы тяги двигателя может быть представлен геометрической суммой двух сил, одна из которых, подъемная сила, направлена вертикально вверх и компенсирует силу тяжести, а вторая направлена в сторону крена летательного аппарата и приводит его в горизонтальное поступательное движение в направлении крена. В зависимости от соотношения подъемной силы и силы тяжести, действующей на летательный аппарат, он может набирать, сбрасывать высоту и(или), в случае если эти две силы уравновешивают друг друга, сохранять высоту полета неизменной. Зависание аппарата обеспечивают фиксацией положения центра масс летательного аппарата на линии приложения силы тяги двигателя при равенстве подъемной силы и силы тяжести, действующих на летательный аппарат. Движение по наклонной траектории вверх обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, и одновременно увеличивая силу тяги двигателя. Движение по наклонной траектории вниз обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, одновременно уменьшая силу тяги двигателя. Движение в горизонтальной плоскости обеспечивают смещая центр масс летательного аппарата в направлении, совпадающем с необходимым направлением полета, одновременно увеличивая или уменьшая силу тяги двигателя, пока ее вертикальная составляющая не станет равной гравитационной силе, действующей на летательный аппарат.As a result of the redistribution of the liquid medium in a toroidal sealed reservoir, the center of mass of the apparatus is shifted from the line of application of the engine's traction force (see drawing). Gravity and engine traction force create a pair of forces, the moment of which causes the body to roll until a vertical line passing through the center of mass of the apparatus intersects a line coinciding with the engine traction vector. In this position, the engine thrust vector can be represented by the geometric sum of two forces, one of which, the lifting force, is directed vertically upwards and compensates for the force of gravity, and the second is directed toward the roll of the aircraft and brings it into horizontal translational movement in the roll direction. Depending on the ratio of the lifting force and the gravity acting on the aircraft, it can gain, lose altitude and (or), if these two forces balance each other, keep the flight altitude unchanged. The hovering of the apparatus is ensured by fixing the position of the center of mass of the aircraft on the line of application of the engine thrust force when the lifting force and gravity acting on the aircraft are equal. Movement along an inclined path upward is provided by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, and at the same time increasing the thrust of the engine. Movement along an inclined trajectory downward is provided by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, while simultaneously reducing the thrust of the engine. Movement in the horizontal plane is ensured by shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, while simultaneously increasing or decreasing the thrust of the engine until its vertical component becomes equal to the gravitational force acting on the aircraft.

Положительным результатом изобретения является создание простого и надежного способа обеспечения заданной ориентации, стабилизации и управления траекторией движения аппарата вертикального взлета и посадки (в горизонтальном, вертикальном и наклонном направлениях) смещением центра масс летательного аппарата с оси приложения тяговой силы двигателя.A positive result of the invention is the creation of a simple and reliable way to ensure a given orientation, stabilization and control of the trajectory of the apparatus of vertical take-off and landing (in horizontal, vertical and inclined directions) by shifting the center of mass of the aircraft from the axis of application of the engine's traction force.

Claims

1. A method of controlling an aircraft of vertical take-off and landing, involving the use of a disk-shaped or toroidal fuselage with rotors, the axis of rotation of which coincides with the axis of the fuselage located inside the channel formed by the fuselage or above the fuselage, characterized in that a toroidal sealed is installed on the periphery of the fuselage a reservoir filled with a liquid medium and means providing redistribution of a liquid medium in a toroidal sealed reservoir redistribute the liquid in a toroidal sealed tank, providing a change and / or fixing the position of the center of mass of the aircraft relative to the axis of application of the engine's traction force, while the point of application of the traction force of the engine device is located above the center of mass of the aircraft, the device freezes by fixing the position of the center of mass of the aircraft on the line application of engine thrust and equality of lift and gravity acting on the aircraft, obliquely moving upward they move by shifting the center of mass of the aircraft in a direction that coincides with the desired direction of flight, while increasing the thrust of the engine, movement along an inclined path downward provide shifting the center of mass of the aircraft in the direction of coinciding with the necessary direction of flight, while reducing the thrust of the engine, horizontal planes provide shifting the center of mass of the aircraft in the direction coinciding with the desired direction of flight, while changing the thrust of the engine, until its vertical component becomes equal to the force of gravity acting on the aircraft.

2. The method of controlling the aircraft of vertical take-off and landing according to claim 1, characterized in that a toroidal sealed reservoir of elastic material is installed on the periphery of the fuselage, the redistribution of the liquid medium is performed by mechanical means, changing the shape of the toroidal sealed reservoir.

3. The method of controlling an aircraft of vertical take-off and landing according to claim 1, characterized in that a toroidal sealed tank of non-magnetic material is installed on the periphery of the fuselage, magnetic fluid is used as the liquid medium, and redistribution of the liquid medium is carried out by changing the magnetic field strength along the toroidal length sealed tank.