RU2693356C1

RU2693356C1 - Supersonic aircraft with tunnel fuselage

Info

Publication number: RU2693356C1
Application number: RU2018126901A
Authority: RU
Inventors: Александр Поликарпович Лялин
Original assignee: Александр Поликарпович Лялин
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2019-07-02

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to supersonic aviation. Aircraft comprises rectangular fuselage with through longitudinal channel with jet engines installed inside. Fuselage and channel in cross section have rectangular shape. Fuselage is longitudinally asymmetrical with lateral planes of different length, and its top and bottom planes have trapezoid shape.

EFFECT: invention is aimed at widening the range of equipment.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к сверхзвуковой авиации, преимущественно пассажирской и может использоваться, в частности, для межконтинентальных перелетов.The invention relates to supersonic aircraft, mainly passenger and can be used, in particular, for intercontinental flights.

Как известно, пассажирская сверхзвуковая авиация прекратила свое существование с прекращением полетов «Конкордов» и для этого, помимо трагической аварии, были и объективные обстоятельства. Это низкая топливная экономичность, вследствие большого аэродинамического сопротивления в полете и большая шумность, исключающая пролет вблизи крупных городов. Причина этого заключается в сжимаемости воздуха при полете на сверхзвуковых скоростях и энергия сжатия которого бесполезно рассеивается в атмосфере, в частности, в виде акустических волн (хлопки). Использование крыльев большой стреловидности и заострение их передних кромок, лишь отчасти решает эту проблему. Однако, потребность в пассажирской сверхзвуковой авиации не отпала, и поиски путей ее возрождения продолжаются во всем мире. В частности, исследователи из Массачусетского технологического института показывают перспективы использования в сверхзвуковой авиации схемы биплана (статья в Интернете - «Возвращение сверхзвукового биплана»). И хотя базовая идея создания сверхзвукового летательного аппарата с закольцованными аэродинамическими элементами была высказана Адольфом Буземаном еще в 1935 г, но до настоящего времени, так и не была реализована на практике. И главная причина этого заключается в том, что все свои положительные качества (снижение шума и аэродинамического сопротивления, путем рекуперации энергии сжатия воздуха) эта схема проявляет лишь на сверхзвуковых скоростях, а до них еще нужно добраться. Кроме того, предложенная схема предполагает использование обычного фюзеляжа (т.е. обтекаемого потоком воздуха снаружи), а это создает дополнительное аэродинамическое сопротивление.As is known, passenger supersonic aircraft ceased to exist with the cessation of the “Concord” flights, and for this, in addition to the tragic accident, there were also objective circumstances. This low fuel efficiency, due to the large aerodynamic drag in flight and high noise, eliminating the passage near major cities. The reason for this lies in the compressibility of air when flying at supersonic speeds and the compression energy of which is uselessly dissipated in the atmosphere, in particular, in the form of acoustic waves (claps). The use of large swept wings and the sharpening of their leading edges, only partly solves this problem. However, the need for passenger supersonic aircraft has not disappeared, and the search for ways of its revival continues throughout the world. In particular, researchers from the Massachusetts Institute of Technology show prospects for using a biplane scheme in supersonic aviation (the article on the Internet is “The Return of a Supersonic Biplane”). And although the basic idea of creating a supersonic aircraft with looped aerodynamic elements was expressed by Adolf Busemann as far back as 1935, but so far it has not been implemented in practice. And the main reason for this is that all its positive qualities (reduction of noise and aerodynamic drag, by recovering the energy of compressed air), this scheme only shows at supersonic speeds, and they still need to get to. In addition, the proposed scheme involves the use of a conventional fuselage (ie, streamlined by the flow of air from the outside), and this creates additional aerodynamic drag.

Влияние фюзеляжа на общее аэродинамическое сопротивление самолета может быть значительно снижено при использовании фюзеляжа туннельного типа (патент RU №2249537), но это создает ряд новых проблем - рост поперечных габаритов, неудобство размещения пассажиров и пр.The influence of the fuselage on the overall aerodynamic drag of an aircraft can be significantly reduced by using a tunnel-type fuselage (RU Patent No. 22,29537), but this creates a number of new problems — the increase in transverse dimensions, the inconvenience of accommodating passengers, etc.

Целью изобретения является создание сверхзвукового самолета, использующего рекуперацию энергии сжимаемого воздуха, лишенного этих недостатков.The aim of the invention is the creation of a supersonic aircraft that uses the energy recovery of compressed air, devoid of these shortcomings.

Поставленная цель достигается тем, что в сверхзвуковом самолете, содержащем фюзеляж со сквозным продольным каналом (туннелем) и внутри которого установлены реактивные двигатели, наружные аэродинамические элементы, а также взлетно-посадочные устройства, по изобретению, взлетное устройство выполнено в виде отделяемой от фюзеляжа тележки, с использованием самолета-носителя, а посадочное устройство выполнено в виде двух телескопических пневмоцилиндров расположенных в фюзеляже с возможностью выдвижения из него перпендикулярно нижней плоскости фюзеляжа и гирлянды купольных парашютов. Кроме того, реактивные двигатели устанавливаемые внутри фюзеляжа могут быть как турбореактивными (ТРД), так и прямоточными (ПрВРД), а снаружи фюзеляжа могут быть установлены одноразовые твердотопливные реактивные двигатели (ТТРД). При этом, фюзеляж и внутренний продольный канал, в поперечном сечении имеют прямоугольную форму. Кроме того, фюзеляж выполнен продольно асимметричным, с боковыми плоскостями разной длины.This goal is achieved by the fact that in a supersonic aircraft containing a fuselage with a through longitudinal channel (tunnel) and inside which are installed jet engines, outdoor aerodynamic elements, as well as landing and takeoff devices, according to the invention, the takeoff device is designed as a carriage detachable from the fuselage, using an aircraft carrier, and the landing gear is made in the form of two telescopic pneumatic cylinders located in the fuselage with the possibility of extending from it perpendicular to the bottom plate and garlands-plane fuselage dome parachutes. In addition, jet engines installed inside the fuselage can be either turbojet (TRD) or direct-flow (RHP), and disposable solid propellant jet engines (TRDA) can be installed outside the fuselage. At the same time, the fuselage and the internal longitudinal channel, in cross section, have a rectangular shape. In addition, the fuselage is made longitudinally asymmetrical, with side planes of different lengths.

На фиг. 1 изображен сверхзвуковой самолет с туннельным фюзеляжем (далее ССТФ) в плане, с горизонтальным разрезом. На фиг. 2 изображен ССТФ в стартовом положении. На фиг. 3 изображен ССТФ в режиме посадки.FIG. 1 shows a supersonic aircraft with a tunnel fuselage (hereinafter referred to as FTSF) in plan, with a horizontal slit. FIG. 2 shows the STF in the starting position. FIG. 3 shows the FTA in landing mode.

ССТФ включает в себя фюзеляж 1, образованный двумя поперечно разроздненными пассажирскими салонами 2, соединенными двумя, верхней и нижней, аэродинамическими плоскостями трапецевидной формы 3 и 4. К фюзеляжу 1, по бокам и сверху, присоединяются обычные треугольные аэродинамические элементы 5 (вариант - полноповоротные). В туннельном канале 6, образованном салонами 2 и аэродинамическими плоскостями 3 и 4, установленны реактивные двигатели 7 (ТРД или ПрВРД). Для старта с земли используется отделяемая тележка 8 (одна или несколько). В воздух ССТФ поднимается самолетом носителем 9. В этом качестве используется «Низкоскоростной самолет большой грузоподъемности» (патент RU №2595065). Для посадки ССТФ используется гирлянда купольных парашютов 10 и два длинноходовых телескопических пневмоцилиндра 11 (патент RU №2609663). Расположение двигателей 7 в туннеле фюзеляжа 1, так же повышает эффективность их работы (возрастает термодинамическое КПД).SSTF includes a fuselage 1 formed by two transversely dispersed passenger compartments 2 connected by two, upper and lower aerodynamic planes of trapezoidal shape 3 and 4. The usual triangular aerodynamic elements 5 are attached to the fuselage 1, on the sides and on top, (full turnable version) . In the tunnel channel 6, formed by the salons 2 and the aerodynamic planes 3 and 4, jet engines 7 are installed (TRD or PRVRD). To start from the ground, a detachable cart 8 (one or more) is used. SSTF is lifted into the air by the carrier 9. This uses the “Low-speed large-capacity aircraft” (RU patent No. 2595065). For landing SSTF a garland of domed parachutes 10 and two long-stroke telescopic pneumatic cylinders 11 are used (patent RU No. 2609663). The location of the engines 7 in the fuselage tunnel 1 also increases the efficiency of their work (the thermodynamic efficiency increases).

ССТФ функционирует следующим образом. После установки ССТФ на тележку/тележки 8 к нему сверху пристыковывается самолет - носитель 9 (средства стыковки не показаны) и салоны 2 заполняются пассажирами. После короткой пробежки, на скорости 60÷90 км/ч, самолет 9 отрывает ССТФ от земли (тележка/тележки 8 остаются на земле) и поднимает на высоту 20÷25 км (обеспечивается использованием тяговых в/винтов большого диаметра). Далее, ССТФ отстыковывается от самолета 9 и в режиме крутого пикирования устремляется к земле. При использовании в качестве двигателей 7 ТРД, последние включаются в работу, и на максимально большом участке траектории спуска обеспечивают ускорение свободного падения (g=9,81). При использовании в качестве двигателей 7 ПрВРД, для получения g=9.81 потребуется применение дополнительных одноразовых твердотопливных реактивных двигателей (не показаны). На высоте 2,0÷3,0 км, при достижении сверхзвуковой скорости (около 2 М), ССТФ из режима спуска переводится в режим подъема с набором исходной высоты (20÷25 км) и продолжает полет по горизонтальной траектории к месту назначения. При этом, основную подъемную силу создают аэродинамические плоскости 3 и 4 (бипланная «коробка»), а аэродинамические элементы 5 обеспечивают управление ССТФ. По прибытии к месту назначения, ССТФ производит маневр «Бочка» с набором максимально возможной высоты и с потерей скорости, а далее повторный спуск (см. выше) с ускорением близким к g=9.81 до высоты 2,0÷3,0 км и производится вторая «Бочка», с некоторым набором высоты и почти полной потерей скорости. В верхней точке траектории, при выполнении маневра «Бочка», постепенно, по одному парашюту, из фюзеляжа 1 выпускается гирлянда парашютов 10 и начинается плавный спуск. Для более эффективного использования гирлянды 10, во время спуска ССТФ сохраняет и небольшую горизонтальную скорость за счет работы двигателей 7, что также обеспечивает и более точное приземление. Одновременно с гирляндой 10 из фюзеляжа 1 выдвигаются и телескопические пневмоцилиндры 11. При скорости спуска, в момент сближения с землей, 20÷25 м/сек и рабочем ходе пневмоцилиндров 11 в пределах 5,0÷7,0 м, ускорение не превысит 4 g, что вполне комфортно для человека сидящего в кресле с подголовником. При этом, величина ускорения остается постоянной на всем протяжении рабочего хода пневмоцилиндров 11, за счет управляемого сброса сжимаемого воздуха в атмосферу.SSTF operates as follows. After the FTA is installed on the trolley / trolleys 8, the carrier aircraft 9 is docked to it from above (the docking equipment is not shown) and the lounges 2 are filled with passengers. After a short run, at a speed of 60 ÷ 90 km / h, the plane 9 takes STF off the ground (trolley / carts 8 remain on the ground) and rises to a height of 20 ÷ 25 km (provided by using large-diameter traction w / screws). Further, STF is undocked from the aircraft 9 and in the mode of a steep dive rushes to the ground. When used as engines for TRD 7, the latter are included in the work, and at the largest possible part of the descent trajectory they provide an acceleration of gravity (g = 9.81). When used as a 7 RHE engines, to obtain g = 9.81, additional disposable solid propellant jet engines (not shown) will be required. At an altitude of 2.0 ÷ 3.0 km, when a supersonic speed is reached (about 2 M), the FFR from the descent mode is switched to ascent mode with a set initial height (20 ÷ 25 km) and continues to fly along a horizontal path to its destination. In this case, the main lift force is created by the aerodynamic planes 3 and 4 (biplane “box”), and the aerodynamic elements 5 provide control of the FTA. Upon arrival at the destination, SSTF manages the “Barrel” with a set maximum height and loss of speed, and then repeated descent (see above) with acceleration close to g = 9.81 to a height of 2.0 ÷ 3.0 km and is the second "Barrel", with a certain climb and almost complete loss of speed. At the top point of the trajectory, when performing the “Barrel” maneuver, gradually, one parachute each, a garland of parachutes 10 is released from the fuselage 1 and a smooth descent begins. For more efficient use of the garland 10, during the descent the SSTF retains a small horizontal speed due to the operation of the engines 7, which also provides a more accurate landing. Simultaneously with the garland 10, the telescopic pneumatic cylinders 11 also extend from the fuselage 1. At a descent speed, at the time of approaching the ground, 20 ÷ 25 m / s and the working stroke of pneumatic cylinders 11 are within 5.0 ÷ 7.0 m, the acceleration will not exceed 4 g that is quite comfortable for a person sitting in a chair with a headrest. At the same time, the magnitude of the acceleration remains constant throughout the working stroke of the pneumatic cylinders 11, due to the controlled discharge of compressible air into the atmosphere.

Полетная экономичность ССТФ обеспечивается рекуперацией значительной части энергии сжимаемого в полете встречного потока воздуха, поскольку основная его часть (исключение -наружные аэродинамические элементы 5 и нижняя аэродинамическая плоскость 4) направляется внутрь фюзеляжа 1 и на выходе из него расширяется, отдавая энергию предварительного сжатия на создание дополнительной тяги. Также, дополнительную тягу будет обеспечивать и подогрев выходящего из туннельного канала 6 потока воздуха выхлопными газами двигателей 7 (идентично работе форсажной камеры ТРД). Шумность при полете ССТФ будет многократно снижена путем интерферентного гашения акустических волн при их наложении в противофазе внутри фюзеляжа 1 (обеспечивается продольной асимметрией фюзеляжа 1 - L1 больше L2 или наоборот).The flight efficiency of the FTA is ensured by the recovery of a significant part of the energy of a counter-flow of air compressed in flight, since the main part of it (except for the external aerodynamic elements 5 and the lower aerodynamic plane 4) is directed inside the fuselage 1 and expands at the exit from it thrust. Also, additional thrust will be provided by heating the air stream leaving the tunnel channel 6 by the exhaust gases of engines 7 (identical to the operation of an afterburner turbojet engine). Noise during flight SSTF will be repeatedly reduced by interferentially damping acoustic waves when they are applied in antiphase inside the fuselage 1 (provided by the longitudinal asymmetry of the fuselage 1 - L1 is greater than L2 or vice versa).

Кроме того, дважды за время полета испытываемое, достаточно продолжительное, состояние невесомости, может позволить ССТФ стать привлекательным и для «космических туристов». А внеаэродромный взлет и посадка, позволят значительно расширить маршруты перелетов, что обеспечивается и возможностью увеличения дальности беспосадочного перелета (возросшая экономичность и пониженная собственная масса конструкции планера, позволяющая взять на борт больше топлива). А уменьшенное аэродинамическое сопротивление фюзеляжа 1 позволит делать салоны 2 более просторными, что повысит их вместимость и комфортабельность для пассажиров.In addition, twice during the flight, a test, rather long, state of weightlessness, can allow STFS to become attractive for “space tourists”. And off-aerodrome take-off and landing will significantly expand the flight routes, which is also ensured by the possibility of increasing the range of a non-stop flight (increased profitability and reduced own weight of the airframe structure, allowing you to take more fuel on board). A reduced aerodynamic drag of the fuselage 1 will allow the cabins 2 to be made more spacious, which will increase their capacity and comfort for passengers.

Claims

1. A supersonic aircraft containing a fuselage with a through longitudinal channel, inside which jet engines are installed, characterized in that the fuselage and said channel in cross section have a rectangular shape.

2. The aircraft according to claim 1, characterized in that the fuselage is made longitudinally asymmetrical with lateral planes of different lengths, and its upper and lower planes have the shape of a trapezoid.