RU2757693C1 - Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps - Google Patents

Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps Download PDF

Info

Publication number
RU2757693C1
RU2757693C1 RU2021114795A RU2021114795A RU2757693C1 RU 2757693 C1 RU2757693 C1 RU 2757693C1 RU 2021114795 A RU2021114795 A RU 2021114795A RU 2021114795 A RU2021114795 A RU 2021114795A RU 2757693 C1 RU2757693 C1 RU 2757693C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
propellers
wing
aircraft
propeller
landing
Prior art date
Application number
RU2021114795A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Марк Николаевич Левин
Алексей Игоревич Марченко
Павел Валерьевич Дрюпин
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч") filed Critical Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч")
Priority to RU2021114795A priority Critical patent/RU2757693C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757693C1 publication Critical patent/RU2757693C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/22Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft
    • B64C27/28Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft with forward-propulsion propellers pivotable to act as lifting rotors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Toys (AREA)

Abstract

FIELD: aviation.SUBSTANCE: invention relates to the field of aviation, namely to design of vertical takeoff and landing aircraft. The vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary flaps contains the fuselage, wings, tail, power supply systems, navigation, flight control, electric propeller groups with controllers. The propeller groups are mounted on flaps that can rotate along the axis of wing trailing edge both vertically upwards during takeoff / landing or hovering, allowing propellers to rotate freely to create lift, and in a horizontal position during cruise flight.EFFECT: increase in flight qualities of the aircraft is ensured by reducing turbulence of air flows created by propeller-wing system.5 cl, 14 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к авиационной технике, конкретно к комбинированным летательным аппаратам со свойствами самолета и вертолета, а именно к мультикоптерам, имеющим крылья с сегментами (закрылками), способными поворачиваться относительно задней кромки крыла, на которые установлены толкающие воздушные винты (пропеллеры), создающие подъемную силу при вращении в горизонтальной плоскости в режиме взлета/посадки, и силу тяги при вращении в вертикальной плоскости при круизном полете. Отличительной особенностью предлагаемых мультикоптеров является расположение центра вращения пропеллеров в непосредственной близости от задней кромки крыла, вне зоны турбулентного спутного следа, формируемого за крылом.The invention relates to aeronautical engineering, specifically to combined aircraft with the properties of an aircraft and a helicopter, namely to multicopters having wings with segments (flaps) capable of turning relative to the trailing edge of the wing, on which pushing propellers (propellers) are installed, creating a lift when rotating horizontally in take-off / landing mode, and thrust when rotating in a vertical plane during cruise flight. A distinctive feature of the proposed multicopters is the location of the center of rotation of the propellers in the immediate vicinity of the trailing edge of the wing, outside the zone of the turbulent wake formed behind the wing.

Техническим результатом изобретения является улучшение аэродинамических качеств системы «пропеллер-крыло» ЛА.The technical result of the invention is to improve the aerodynamic qualities of the aircraft propeller-wing system.

Предшествующий уровень техникиPrior art

Основные преимущества мультикоптеров состоят в возможности вертикального взлета/посадки, зависания в точке и высокой маневренности, недостатки - в высоком расходе электроэнергии при ограниченной энергоемкости аккумуляторных батарей и малой скорости при горизонтальном полете, что ограничивает продолжительность и дальность полета, соответственно.The main advantages of multicopters are the possibility of vertical take-off / landing, hovering at a point and high maneuverability, the disadvantages are high power consumption with limited energy capacity of batteries and low speed during horizontal flight, which limits the duration and range of flight, respectively.

С целью устранения указанных выше недостатков мультикоптеров активно разрабатываются различные варианты гибридных летательных аппаратов (ЛА) вертикального взлета и посадки, имеющих в своей конструкции как поворачиваемые воздушные винты, создающие подъемную силу или силу тяги в зависимости от положения плоскости вращения винтов, так и крылья, обеспечивающие дополнительную подъемную силу в режиме круизного полета.In order to eliminate the aforementioned disadvantages of multicopters, various versions of vertical take-off and landing hybrid aircraft (AC) are being actively developed, which have in their design both rotary propellers, which create a lift or thrust force depending on the position of the plane of rotation of the propellers, and wings that provide additional lift in cruise flight mode.

Ниже представлены аналоги заявляемой конструкции ЛА, отражающие известные в настоящее время концепции гибридных мультикоптеров, предназначенных для полетов с бóльшими скоростями и на большие расстояния.Below are analogs of the claimed aircraft design, reflecting the currently known concepts of hybrid multicopters designed for flights at higher speeds and over long distances.

1. Поворотные воздушные винты вне плоскости крыла.1. Rotary propellers outside the wing plane.

В патенте US 10474167 заявлена конструкция ЛА вертикального взлета и посадки с воздушными винтами в кольцах, поворачивающимися перед крылом (Фиг. 1).In the patent US 10474167 declared the design of the aircraft vertical takeoff and landing with propellers in the rings, turning in front of the wing (Fig. 1).

Винты в кольцах расположены так, что при вращении винтов в горизонтальной плоскости при взлете/посадке или висении, создаваемые ими воздушные потоки не пересекают поверхности крыла. Недостатком конструкции является неизбежное создание турбулентности воздушного потока перед крылом при горизонтальном полете, что снижает летные качества ЛА.The propellers in the rings are located so that when the propellers rotate in the horizontal plane during takeoff / landing or hovering, the air flows generated by them do not cross the wing surfaces. The disadvantage of the design is the inevitable creation of turbulence in the air flow in front of the wing during horizontal flight, which reduces the flight performance of the aircraft.

Также известна конструкция ЛА вертикального взлета и посадки US 10773802 с горизонтально фиксированными крыльями и поворотными воздушными винтами на штангах (Фиг. 2). Штанги имеют длины, достаточные для предотвращения перекрытия плоскостями крыльев воздушных потоков, создаваемых пропеллерами. Пропеллеры, находящиеся перед крыльями, создают при горизонтальном полете меньше турбулентностей, чем винты в кольцах в предыдущей конструкции, однако, указанный выше недостаток не устраняется полностью. Кроме того, вращение воздушных винтов на штангах вызывает воздействие на фюзеляж моментов импульса и вибраций, которые тем выше, чем длиннее штанги.Also known is the design of the aircraft vertical take-off and landing US 10773802 with horizontally fixed wings and rotary propellers on the rods (Fig. 2). The booms are long enough to prevent the wing planes from blocking the air currents created by the propellers. The propellers in front of the wings create less turbulence during horizontal flight than the propellers in the rings in the previous design, however, the above disadvantage is not completely eliminated. In addition, the rotation of the propellers on the rods causes the impact on the fuselage of the moments of impulse and vibrations, which are the higher, the longer the rods.

2. Поворотное арочное крыло с воздушными винтами в арках.2. Swivel arched wing with propellers in the arches.

Указанный выше недостаток конструкций, в которых винты перед крылом и винты на штангах создают турбулентности воздушного потока и вибрации, отсутствует в крыльях, так называемого, арочного типа, показанных на Фиг. 3. В патенте US 2018/0086447 предложено устанавливать воздушные винты в арки крыльев. Плоскости вращения пропеллеров не поворачиваются относительно крыла, а для перехода из режима вертикального взлета/посадки в режим круизного полета предложено поворачивать крылья.The aforementioned drawback of designs in which the propellers in front of the wing and the propellers on the rods create airflow turbulence and vibration is absent in the so-called arched type wings shown in FIG. 3. In the patent US 2018/0086447 it is proposed to install propellers in the arches of the wings. The planes of rotation of the propellers do not rotate relative to the wing, and it is proposed to rotate the wings to switch from the vertical take-off / landing mode to the cruise flight mode.

Недостатком конструкции является снижение подъемной силы крыла за счет уменьшения его плоской части, а также усложнение конструкции ЛА и повышенные энергетические затраты на поворот крыльев.The disadvantage of the design is a decrease in the lifting force of the wing due to a decrease in its flat part, as well as the complication of the aircraft design and increased energy costs for turning the wings.

3. Поворотные воздушные винты на боковой кромке крыла.3. Swivel propellers on the side edge of the wing.

В качестве примера конструкции ЛА с поворотными воздушными винтами на концах крыла можно привести патент US 10850833 (Фиг. 4). При вращении несущих винтов в горизонтальных плоскостях, воздушные потоки от винтов частично пересекаются плоскостями крыльев. Однако, диаметры пропеллеров выбирают достаточно большими, так, чтобы площадь круга их вращения была больше площади пересечения с крылом.As an example of the design of an aircraft with rotary propellers at the ends of the wing, patent US 10850833 (Fig. 4) can be cited. When the rotor rotates in horizontal planes, the air flows from the propellers are partially intersected by the wing planes. However, the diameters of the propellers are chosen large enough so that the area of their circle of rotation is greater than the area of intersection with the wing.

Известны подобные конструкции ЛА с поворотными винтами на концах крыльев Joby Aero (US 2020/0333805, US 2020/0317328), Bell Helicopter (US 10414483) и других компаний.Known similar aircraft designs with rotary screws at the ends of the wings of Joby Aero (US 2020/0333805, US 2020/0317328), Bell Helicopter (US 10414483) and other companies.

Общим недостатком таких конструкций является снижение подъемной силы пропеллеров вследствие частичного перекрытия крылом воздушного потока, создаваемого при взлете/посадке и зависании.A common disadvantage of such designs is a decrease in the lift of the propellers due to the wing partially blocking the air flow generated during takeoff / landing and hovering.

4. Поворотное крыло с воздушными винтами на передней кромке крыла.4. Swivel wing with propellers on the leading edge of the wing.

Компанией A^3 Airbus запатентованы конструкции ЛА с поворачиваемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены воздушные винты (US 2019/0291862, US 2019/02918636, US 2020/0164976).A ^ 3 Airbus has patented aircraft designs with rotatable wings, on the leading edges of which propellers are fixed (US 2019/0291862, US 2019/02918636, US 2020/0164976).

Базовая конструкция таких ЛА показана на Фиг. 5. Пропеллеры в кольцах расположены на крыльях парами и вращаются в противоположные стороны для взаимной компенсации моментов импульса и облегчения поворота крыла.The basic design of such aircraft is shown in FIG. 5. The propellers in the rings are located on the wings in pairs and rotate in opposite directions for mutual compensation of moment of momentum and facilitating the rotation of the wing.

Недостатком конструкций является то, что вращающиеся перед крылом винты создают турбулентности воздушного потока, что приводит к снижению эффективности и пропеллеров, и крыла, дополнительным энергетическим потерям, повышению шума и вибрации, в целом, снижает аэродинамические качества ЛА.The disadvantage of the designs is that the propellers rotating in front of the wing create turbulence in the air flow, which leads to a decrease in the efficiency of both the propellers and the wing, additional energy losses, increased noise and vibration, and, in general, reduces the aerodynamic qualities of the aircraft.

В патенте US 10562620 предложена конструкция ЛА вертикального взлета и посадки с отклоняемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены винты, находящиеся в аэродинамических кольцах (Фиг. 6). Кольца повышают эффективность винтов и защищают их от случайных механических повреждений, но и не устраняют указанные выше недостатки.US patent 10562620 proposes a vertical take-off and landing aircraft design with deflectable wings, on the leading edges of which are fixed propellers located in aerodynamic rings (Fig. 6). The rings increase the efficiency of the screws and protect them from accidental mechanical damage, but they also do not eliminate the above disadvantages.

Конструкция ЛА с поворачиваемыми крыльями, на передних кромках которых закреплены воздушные винты, была запатентована компанией Kitty Hawk (US 10336448). Эта конструкция отличается от представленной выше конструкций ЛА компании А^3 Airbus тем, что винты на передней кромке крыла складываются при круизном полете. Раскрытыми и тянущими остаются винты только на концах крыла (Фиг. 7).The aircraft design with rotatable wings, on the leading edges of which propellers are fixed, was patented by Kitty Hawk (US 10336448). This design differs from the above designs of the A ^ 3 Airbus aircraft in that the propellers on the leading edge of the wing fold down during cruise flight. The screws remain open and pull only at the ends of the wing (Fig. 7).

Подъемную силу при взлете/посадке и висении создают все тянущие винты, а тягу в круизном полете - только винты, находящиеся на концах крыльев. Остальные винты, находящиеся на передней кромке крыла, в режиме круизного полета складываются, чтобы не создавать турбулентных потоков перед крылом.The lift during takeoff / landing and hovering is created by all the pulling propellers, and the thrust in cruise flight is created only by the propellers located at the ends of the wings. The rest of the propellers located on the leading edge of the wing are folded in the cruise flight mode so as not to create turbulent flows in front of the wing.

Это частично устраняет отмеченные выше недостатки ЛА с винтами на передней кромке крыла. Сложенные в круизе винты не создают турбулентностей, вибрации и шума, но и не создают тяги. Кроме того, сохраняются недостатки, присущие ЛА с поворотными воздушными винтами на боковой кромке крыла, отмеченные в предыдущем разделе.This partially eliminates the above-mentioned disadvantages of an aircraft with propellers on the leading edge of the wing. The propellers folded in cruise do not create turbulence, vibration and noise, but they also do not create thrust. In addition, the disadvantages inherent in aircraft with rotary propellers on the side edge of the wing, noted in the previous section, remain.

5. Неподвижное крыло с поворотными воздушные винтами на задней кромке крыла.5. Fixed wing with rotary propellers at the trailing edge of the wing.

Альтернативным решением является расположение поворотных винтов за крылом. Известен патент US 6732972, в котором предложено размещать поворачиваемые пропеллеры позади крыла. При этом, крылья ЛА являются жестко закрепленными к фюзеляжу, а вертикальный взлет/посадка или круизный полет осуществляется за счет поворота пропеллеров для вращения в горизонтальной или вертикальной плоскости, при взлете/посадки и при круизном полете, соответственно. Общий вид такого ЛА показан на Фиг. 8а.An alternative solution is to locate the swivel screws behind the wing. Known patent US 6732972, which proposes to place the rotatable propellers behind the wing. At the same time, the wings of the aircraft are rigidly attached to the fuselage, and vertical take-off / landing or cruise flight is carried out by turning the propellers to rotate in a horizontal or vertical plane, during take-off / landing and during cruise flight, respectively. A general view of such an aircraft is shown in Fig. 8a.

Отличительной особенностью предложенной конструкции является то, что для каждого поворотного пропеллера центр вращения расположен в плоскости крыла, а в крыле вырезаны сегменты для обеспечения свободного вращения винта в горизонтальной плоскости, как показано на Фиг. 8b, с. Согласно патенту US 6732972, вырезанный сегмент должен быть не больше, а предпочтительнее меньше, половины круга, ометаемого пропеллером. При этом, центры вращения пропеллеров смещены от кромки крыла так, чтобы при горизонтальном вращении пропеллер не пересекался с крылом.A distinctive feature of the proposed design is that for each rotary propeller, the center of rotation is located in the plane of the wing, and segments are cut out in the wing to ensure free rotation of the propeller in the horizontal plane, as shown in Fig. 8b, p. According to US Pat. No. 6,732,972, the cut segment should not be larger, but preferably less than half of the circle swept by the propeller. At the same time, the centers of rotation of the propellers are offset from the edge of the wing so that during horizontal rotation the propeller does not intersect with the wing.

Положительным эффектом является то, что в предложенной конструкции крыло не создает помех пропеллеру при взлете/посадке и висении. В то же время вырезанные из крыла сегменты уменьшают площадь поверхности, создающей подъемную силу. Кроме того, в патенте не проанализировано влияние вырезов на формирование вихрей и турбулентности воздушного потока за кромкой крыла при круизном полете. Этот патент является близким аналогом заявляемого изобретения.A positive effect is that in the proposed design, the wing does not interfere with the propeller during takeoff / landing and hovering. At the same time, segments cut from the wing reduce the surface area that creates lift. In addition, the patent does not analyze the effect of notches on the formation of vortices and turbulence of the air flow behind the wing edge during cruise flight. This patent is a close analogue of the claimed invention.

Известна также конструкция ЛА компании Kiity Hawk (US 10144503, US 10981648) с крыльями, неподвижно прикрепленными к фюзеляжу, и поворотными воздушными винтами, закрепленными либо на боковых кромках крыла (переднее крыло на Фиг. 9), либо на задней кромке крыла (основное крыло на Фиг. 9). При этом, к задней кромке крыла пропеллеры крепятся через пилоны такой длины, что при взлете/посадке плоскость крыла не пересекается пропеллерами, повернутыми для вращения в горизонтальной плоскости.Also known is the design of the aircraft company Kiity Hawk (US 10144503, US 10981648) with wings fixedly attached to the fuselage, and rotary propellers fixed either on the side edges of the wing (front wing in Fig. 9) or on the trailing edge of the wing (main wing in Fig. 9). At the same time, the propellers are attached to the trailing edge of the wing through pylons of such length that during takeoff / landing the wing plane is not crossed by the propellers rotated to rotate in the horizontal plane.

При расположении поворачиваемых винтов позади крыла устраняются недостатки, присущие ЛА с винтами на передней кромке, а именно, создание винтами турбулентностей перед крылом в круизном полете. Однако пропеллеры, находящиеся позади крыла, сами оказываются в зоне турбулентности, так называемой, области спутного следа, возникающей в результате срыва с кромки крыла воздушного потока, обтекающего крыло.When the rotatable propellers are located behind the wing, the disadvantages inherent in aircraft with propellers on the leading edge are eliminated, namely, the creation of turbulence by the propellers in front of the wing in cruise flight. However, the propellers located behind the wing themselves find themselves in a zone of turbulence, the so-called wake region, which occurs as a result of the breakdown of the air flow around the wing from the wing edge.

Патент U10981648 можно рассматривать в качестве прототипа заявляемому изобретению.Patent U10981648 can be considered as a prototype of the claimed invention.

Целью изобретения является нахождение конструктивного решения, при котором в системе «пропеллер-крыло» минимизировано взаимное негативное влияния воздушного винта и крыла, а сама система достигает предельно высоких аэродинамических параметров.The aim of the invention is to find a constructive solution in which the mutual negative influence of the propeller and the wing is minimized in the "propeller-wing" system, and the system itself achieves extremely high aerodynamic parameters.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Фиг. 1. Мультикоптер с поворачиваемыми перед неподвижным крылом винтами в аэродинамических кольцах. Положение воздушных винтов: а) при круизном полете, b) при взлете/посадке и висении. (Prior Art, US 10474267, 12.11.2019).FIG. 1. Multicopter with propellers turning in front of the fixed wing in aerodynamic rings. The position of the propellers: a) during cruise flight, b) during takeoff / landing and hovering. (Prior Art, US 10474267, 12.11.2019).

Фиг. 2. Мультикоптер с поворачиваемыми воздушными винтами на кронштейнах спереди и сзади неподвижного крыла. (Prior Art, US 773802, 15.09.2020).FIG. 2. Multicopter with rotatable propellers on brackets in front and behind the fixed wing. (Prior Art, US 773802, 15.09.2020).

Фиг. 3. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями арочного типа и воздушными пропеллерами, встроенными в арочные проемы. (Prior Art, US 2018/0086447, 29.05.2018).FIG. 3. A multicopter with arched wings and air propellers built into the arched openings. (Prior Art, US 2018/0086447, 05/29/2018).

Фиг. 4. Мультикоптер с неподвижными крыльями и поворачивающимися воздушными винтами на концах крыльев. Положение воздушных винтов: а) при круизном полете, b) при взлете/посадке. (Prior Art, US 10850833, 12.08.2014).FIG. 4. A multicopter with fixed wings and pivoting propellers at the ends of the wings. The position of the propellers: a) during cruise flight, b) during takeoff / landing. (Prior Art, US 10850833, 12.08.2014).

Фиг. 5. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами. ЛА показан в круизном режиме. (Prior Art, US 2020/0164976, 28.05.2020).FIG. 5. Multicopter with rotatable wings and propellers rigidly fixed on the leading edge. The aircraft is shown in cruise mode. (Prior Art, US 2020/0164976, 28.05.2020).

Фиг. 6. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами в аэродинамических кольцах. ЛА показан в круизном режиме. (Prior Art, US 10562620, 18.02.2020).FIG. 6. Multicopter with rotating wings and propellers rigidly fixed on the leading edge in aerodynamic rings. The aircraft is shown in cruise mode. (Prior Art, US 10562620, 02/18/2020).

Фиг. 7. Мультикоптер с поворачивающимися крыльями и жестко закрепленными на передней кромке воздушными винтами, складывающимися в круизном полете. ЛА показан в режимах: а) взлета/посадки, b) круизного полета. (Prior Art, US 10336448, 07.06.2019).FIG. 7. Multicopter with rotatable wings and propellers rigidly fixed on the leading edge, folding in cruise flight. The aircraft is shown in modes: a) takeoff / landing, b) cruise flight. (Prior Art, US 10336448, 06/07/2019).

Фиг. 8. ЛА вертикального взлета/посадки с неподвижными крыльями, в которых вырезаны сегменты под установленные позади крыла поворачивающиеся воздушные винты. (Prior Art, US6732972, 11.05.2004).FIG. 8. Aircraft vertical takeoff / landing with fixed wings, in which segments are cut out for rotating propellers installed behind the wing. (Prior Art, US6732972, 11.05.2004).

Фиг.9. ЛА вертикального взлета/посадки с неподвижными крыльями и поворачивающимися воздушными винтами, установленными на пилонах с задней стороны крыла. (Prior Art, US 10981648, 20.04.2021 - прототип).Fig. 9. A vertical take-off / landing aircraft with fixed wings and pivoting propellers mounted on pylons at the rear of the wing. (Prior Art, US 10981648, 04/20/2021 - prototype).

Фиг. 10. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при взлете в проекциях: а) сверху, b) сбоку, с) сзади. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при круизном полете в проекциях: d) сверху, е) сбоку, f) сзади.FIG. 10. The relative position of the wing, flap and propeller during takeoff in the projections: a) from above, b) from the side, c) from behind. The relative position of the wing, flap and propeller during cruise flight in the projections: d) from above, e) from the side, f) from behind.

Фиг. 11. Взаимное положение крыла, закрылка и пары противоположно вращающихся пропеллеров: в проекциях: а) при взлете (вид сверху), b) в круизном полете (вид сверху).FIG. 11. The relative position of the wing, flap and a pair of oppositely rotating propellers: in the projections: a) during takeoff (top view), b) in cruise flight (top view).

Фиг. 12. Дизайн мультикоптера с поворотными закрылками и воздушными винтами, установленными на задней кромке крыльев. Вид в изометрической проекции: а) в режимах взлета/посадки и висения, b) в режиме круизного полета.FIG. 12. Multicopter design with rotary flaps and propellers mounted on the trailing edge of the wings. Isometric view: a) in take-off / landing and hover modes, b) in cruise flight mode.

Фиг. 13. Дизайн мультикоптера с поворотными частями крыльев, на которых установлены воздушные винты в аэродинамических кольцах. Вид в изометрической проекции: а) в режимах взлета/посадки и висения, b) в режиме круизного полета.FIG. 13. Design of a multicopter with rotary wing parts, on which propellers are installed in aerodynamic rings. Isometric view: a) in take-off / landing and hover modes, b) in cruise flight mode.

Фиг. 14. Дизайн мультикоптера с поворотными закрылками и воздушными винтами, установленными на задней кромке крыльев на высоте половины радиуса винта над закрылком. Вид в режимах взлета/посадки и висения: а) изометрическая проекция, b) вид сбоку. Вид в режиме круизного полета: с) изометрическая проекция, d) вид сбоку.FIG. 14. Multicopter design with rotary flaps and propellers mounted on the trailing edge of the wings at a height of half the propeller radius above the flap. View in take-off / landing and hover modes: a) isometric projection, b) side view. Cruise view: c) isometric view, d) side view.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Технической задачей изобретения является создание новой конструкции гибридного ЛА - мультикоптера с повышенными летными качествами относительно известных аналогов и прототипа.The technical objective of the invention is to create a new design of a hybrid aircraft - a multicopter with improved flight characteristics relative to known analogues and prototype.

Решение технической задачи состоит в создании мультикоптера, имеющего жестко прикрепленные к фюзеляжу крылья с закрылками (сегментами), поворачиваемыми по оси задней кромки крыла, на которых расположены толкающие пропеллеры.The solution to the technical problem consists in creating a multicopter with wings rigidly attached to the fuselage with flaps (segments) rotated along the axis of the trailing edge of the wing, on which pushing propellers are located.

Технический результат изобретения заключается в повышении летных характеристик ЛА за счет снижения турбулентности воздушных потоков в области системы «пропеллер-крыло» и минимизации взаимного отрицательного влияния крыльев и воздушных винтов.The technical result of the invention consists in increasing the flight characteristics of the aircraft by reducing the turbulence of air flows in the area of the "propeller-wing" system and minimizing the mutual negative influence of the wings and propellers.

С одной стороны, известны различные варианты гибридных ЛА вертикального взлете и посадки, в которых поворачиваются воздушные винты или крылья с установленными на них винтами, причем винты устанавливаются на передних кромках или на концах крыльев. Примерами таких ЛА являются приведенные выше аналоги.On the one hand, various versions of hybrid aircraft with vertical takeoff and landing are known, in which propellers or wings with propellers mounted on them turn, and the propellers are installed on the leading edges or at the ends of the wings. Examples of such aircraft are the above analogs.

С другой стороны, известны различные самолеты с расположенными сзади толкающими винтами, от военного истребителя ХР-56, до современного сверхэкономного экспериментального самолета Celera-500.On the other hand, various aircraft with rear-mounted pusher propellers are known, from the XP-56 military fighter to the modern ultra-efficient Celera-500 experimental aircraft.

Известен, выбранный в качестве прототипа, ЛА вертикального взлета и посадки Kitty Hawk, с фиксированными крыльями и поворотными винтами, установленными на пилонах с задней стороны крыла на расстоянии, не допускающем перекрытия крылом воздушного потока от вращения винта при взлете/посадке и висении, то есть на расстоянии не менее радиуса пропеллера.It is known, chosen as a prototype, Kitty Hawk vertical takeoff and landing aircraft, with fixed wings and rotary propellers mounted on pylons on the rear side of the wing at a distance that prevents the wing from blocking the air flow from propeller rotation during takeoff / landing and hovering, that is at a distance not less than the radius of the propeller.

Однако, нам не известны гибридные ЛА вертикального взлета и посадки с сегментами крыльев - закрылками, поворачиваемыми по оси задней кромки крыла, на которых установлены толкающие воздушные винты.However, we are not aware of hybrid vertical take-off and landing aircraft with wing segments - flaps rotated along the axis of the trailing edge of the wing, on which push propellers are installed.

В заявляемом изобретении предлагается устранить воздушный зазор между задней кромкой крыла и пропеллером, поместив пропеллер, как только возможно, близко к крылу. Современные электродвигатели имеют толщину в несколько сантиметров и позволяют устанавливать винтомоторные группы на заднюю кромку крыла без необходимости изменения профиля крыла.In the claimed invention, it is proposed to eliminate the air gap between the trailing edge of the wing and the propeller by placing the propeller as close to the wing as possible. Modern electric motors are several centimeters thick and make it possible to install propeller-driven groups on the trailing edge of the wing without the need to change the wing profile.

На Фиг. 10 схематически показаны проекции фрагмента крыла (1) с полукруглым закрылком (2), на котором жестко установлена винтомоторная группа с пропеллером (3), вращающимся в плоскости, нормальной к закрылку. Закрылок в исходном положении опущен в горизонтальное положение и составляет с крылом единое аэродинамическое тело.FIG. 10 schematically shows the projection of a fragment of a wing (1) with a semicircular flap (2), on which a propeller group with a propeller (3) rotating in a plane normal to the flap is rigidly mounted. The flap in the initial position is lowered to a horizontal position and forms a single aerodynamic body with the wing.

При взлете ЛА, закрылок (2) поднимается в вертикальное положение и открывает вырез в крыле, обеспечивающий возможность горизонтального вращения пропеллера (3) для создания подъемной силы.When the aircraft takes off, the flap (2) rises to a vertical position and opens a cutout in the wing, which allows the propeller (3) to rotate horizontally to create lift.

Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при взлете показано на Фиг. 10 а, b, и с, в проекциях сверху, сбоку и сзади, соответственно.The relative position of the wing, flap and propeller during takeoff is shown in FIG. 10 a, b, and c, in top, side and back projections, respectively.

При круизном полете ЛА, закрылок (3) опускается в исходное положение, восстанавливая целостность крыла, как аэродинамического тела, а пропеллер вращается в вертикальной плоскости, создавая тягу. При этом, пропеллер является толкающим. Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллера при круизном полете показано на Фиг. 10 d, е, и f, в проекциях сверху, сбоку и сзади, соответственно.During cruise flight of an aircraft, the flap (3) is lowered to its original position, restoring the integrity of the wing as an aerodynamic body, and the propeller rotates in a vertical plane, creating thrust. In this case, the propeller is pushing. The relative position of the wing, flap and propeller during cruise flight is shown in FIG. 10 d, e, and f, in top, side and back projections, respectively.

Представленный выше вариант не является единственно возможным. На Фиг. 11 показан фрагмент крыла (1) с закрылком (2), на котором размещены две винтомоторные группы с пропеллерами (3), вращающимися в противоположных направлениях. Противоположно направленное вращение двух пропеллеров компенсирует момент импульса, что облегчает поворот закрылка и снижает на него механическое воздействие винтомоторных групп.The above option is not the only one possible. FIG. 11 shows a fragment of a wing (1) with a flap (2), on which there are two propeller-driven groups with propellers (3) rotating in opposite directions. Opposite rotation of the two propellers compensates for the moment of momentum, which makes it easier to turn the flap and reduces the mechanical effect of the propeller groups on it.

Взаимное положение крыла, закрылка и пропеллеров показаны на Фиг. 11 в проекциях сверху а и b при взлете и круизном полете, соответственно.The relative positions of the wing, flap and propellers are shown in FIG. 11 in projections from above a and b during takeoff and cruise flight, respectively.

Поворачиваемый закрылок может иметь форму, показанную на Фиг. 11 или иную целесообразную форму, включая всю заднюю часть крыла, шириной, достаточной для вращения при взлете пропеллера с центром на задней кромке.The rotatable flap may have the shape shown in FIG. 11 or other suitable shape, including the entire rear of the wing, of a width sufficient to rotate the propeller during take-off centered on the trailing edge.

На Фиг. 12-Фиг. 14 приведены проекции ЛА с поворотными закрылками, на которых установлены пропеллеры, составляющие с крылом единые системы «пропеллер-крыло», предложенные выше.FIG. 12-Fig. 14 shows projections of an aircraft with rotary flaps, on which propellers are installed, making up with the wing a single propeller-wing system proposed above.

ЛА имеет два крыла - нижнее переднее основное крыло, состоящее из правого и левого полу крыльев, и заднее верхнее сплошное крыло. В предлагаемой конструкции ЛА крылья жестко закреплены относительно корпуса, а закрылки могут поворачиваться из вертикального положения при взлете в горизонтальное положение при переходе в круизный полет.The aircraft has two wings - the lower front main wing, consisting of the right and left floor of the wings, and the rear upper solid wing. In the proposed aircraft design, the wings are rigidly fixed relative to the body, and the flaps can be rotated from a vertical position during takeoff to a horizontal position when switching to a cruise flight.

Переднее крыло расположено позади кабины ЛА, что обеспечивает свободный подход к двери кабины и удобство посадки/выхода из ЛА, повышает безопасность пассажиров за счет удаленного расположения вращающихся винтов, а также снижает шум в кабине при круизном полете. Расположение крыльев и винтов не ограничивает обзор из кабины и не мешает установке наблюдательного и иного оборудования в передней части ЛА.The front wing is located behind the aircraft cockpit, which provides free access to the cockpit door and ease of boarding / exiting the aircraft, increases passenger safety due to the remote location of rotating propellers, and also reduces cabin noise during cruise flights. The location of the wings and propellers does not limit the view from the cockpit and does not interfere with the installation of observation and other equipment in the front of the aircraft.

Высота расположения нижнего крыла ЛА, стоящего на взлетной площадке, достаточна для сохранности лопастей пропеллеров при повороте крыла. Риски разрушения толкающего винта при соприкосновении с поверхностью взлетной полосы, присущие самолетам, требующим разбега для взлета, значительно снижены для ЛА вертикального взлета и посадки.The height of the lower wing of the aircraft standing on the take-off site is sufficient for the safety of the propeller blades when turning the wing. The risks of destruction of the pusher propeller in contact with the surface of the runway inherent in aircraft requiring takeoff roll are significantly reduced for aircraft with vertical takeoff and landing.

Соседние воздушные винты вращаются в противоположные стороны для компенсации моментов импульса и снижения усилий для поворота крыла, на котором они установлены. Профили лопастей соседних пропеллеров различаются таким образом, что обеспечивают одинаковое направление воздушных потоков при вращении в противоположные стороны. Винты являются толкающими и создают подъемную силу при взлете/посадке и силу тяги при круизном полете.Adjacent propellers rotate in opposite directions to compensate for moment of momentum and reduce forces for turning the wing on which they are mounted. The profiles of the blades of adjacent propellers differ in such a way that they provide the same direction of air flows when rotating in opposite directions. The propellers are pushing and create lift during takeoff / landing and thrust during cruise flight.

Воздушные винты вращаются электромоторами, составляющими с ними винтомоторные группы. Электроэнергия для питания моторов ВМГ обеспечивается аккумуляторными батареями, гибридными электрическими генераторами с двигателями внутреннего сгорания, электрохимическими генераторами на основе водородных топливных элементов, отдельно или в какой-либо комбинации.The propellers are rotated by electric motors, which make up propeller groups with them. Electricity for powering the VMG motors is provided by storage batteries, hybrid electric generators with internal combustion engines, electrochemical generators based on hydrogen fuel cells, separately or in any combination.

Полет ЛА осуществляется по программе, выполняемой полетным контроллером. Маневрирование ЛА обеспечивается управлением скоростями вращения пропеллеров в соответствии с командами, подаваемыми полетным контроллером на контроллер каждой ВМГ.The aircraft flight is carried out according to the program performed by the flight controller. Aircraft maneuvering is provided by control of the propeller rotation speeds in accordance with the commands given by the flight controller to the controller of each VMG.

На Фиг. 12 показан ЛА с поворотными закрылками на переднем основном крыле для каждого одиночного пропеллера. Представлены изометрические проекции ЛА: (а) в режиме взлета и (b) в режиме круизного полета.FIG. 12 shows an aircraft with swivel flaps on the front main wing for each single propeller. Isometric projections of the aircraft are presented: (a) in take-off mode and (b) in cruise flight mode.

На Фиг. 13 показан ЛА с поворотными закрылками на переднем основном крыле для пар пропеллеров, вращающихся в противоположные стороны. ЛА представлен в изометрических проекциях: (а) в режиме взлета и (b) в режиме круизного полета. Понятно, что пропеллеры могут быть использованы и без аэродинамических колец.FIG. 13 shows an aircraft with rotary flaps on the front main wing for pairs of propellers rotating in opposite directions. The aircraft is presented in isometric projections: (a) in take-off mode and (b) in cruise flight mode. It is clear that propellers can be used without aerodynamic rings.

Отличительной особенностью системы «пропеллер-крыло», изображенной на Фиг. 13, является то, что пропеллеры заключены в кольца, защищающие пропеллеры и повышающие аэродинамические качества системы «пропеллер-крыло». Кольца жестко закреплены на закрылках и составляют с ними единую конструкцию.A distinctive feature of the propeller-wing system shown in FIG. 13 is that the propellers are enclosed in rings that protect the propellers and increase the aerodynamic properties of the propeller-wing system. The rings are rigidly fixed to the flaps and form a single structure with them.

Преимущества от использования аэродинамических колец состоят: 1) в защите пропеллеров на нижнем крыле от разрушения при случайном соприкосновении с грунтом или попадании камней при взлете/посадке, 2) в повышении подъемной силы и тяги при правильно рассчитанном профиле кольца.The advantages of using aerodynamic rings are: 1) in protecting the propellers on the lower wing from destruction in case of accidental contact with the ground or hit by stones during takeoff / landing, 2) in increasing lift and thrust with a correctly calculated profile of the ring.

На Фиг. 14 представлен ЛА с положением центров вращения пропеллеров на полрадиуса выше крыла. При положении центра выше крыла пропеллер обеспечивает повышенную скорость воздушного потока над крылом, препятствует отрыву от крыла пограничного слоя и образованию возвратного течения и вихрей над верхней поверхностью крыла.FIG. 14 shows an aircraft with the position of the centers of rotation of the propellers half a radius above the wing. When the center is above the wing, the propeller provides an increased speed of the air flow over the wing, prevents the boundary layer from separating from the wing and the formation of a return flow and vortices over the upper surface of the wing.

Claims (5)

1. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с воздушными винтами на поворотных закрылках, содержащий фюзеляж, крылья, оперение, системы энергообеспечения, навигации, управления полетом, электрические винтомоторные группы с контроллерами, отличающийся тем, что винтомоторные группы установлены на закрылках, которые могут поворачиваться по оси задней кромки крыла как вертикально вверх при взлете/посадке или зависании, позволяя пропеллерам беспрепятственно вращаться для создания подъемной силы, так и в горизонтальное положение, при круизном полете.1. A vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary flaps, containing a fuselage, wings, empennage, power supply systems, navigation, flight control, electric propeller-driven groups with controllers, characterized in that the propeller-driven groups are mounted on flaps that can rotate along the axis of the trailing edge of the wing both vertically upward during takeoff / landing or hovering, allowing the propellers to rotate unhindered to create lift, and into a horizontal position during cruise flight. 2. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с воздушными винтами на поворотных закрылках крыла по п. 1, отличающийся тем, что центр вращения пропеллера находится в плоскости крыла в зоне до образования зоны турбулентностей в спутном следе за крылом.2. A vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps according to claim 1, characterized in that the center of rotation of the propeller is in the plane of the wing in the zone prior to the formation of a turbulence zone in the wake behind the wing. 3. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с воздушными винтами на поворотных закрылках крыла по п. 1, отличающийся тем, что на закрылке устанавливаются по два пропеллера с противоположными направлениями вращения.3. A vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps according to claim 1, characterized in that two propellers with opposite directions of rotation are installed on the flap. 4. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с воздушными винтами на поворотных закрылках крыла по п. 1, отличающийся тем, что пропеллеры устанавливаются так, что центр вращения находится выше плоскости крыла на расстоянии не более радиуса пропеллера.4. A vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps according to claim 1, characterized in that the propellers are installed so that the center of rotation is above the plane of the wing at a distance of no more than the radius of the propeller. 5. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки с воздушными винтами на поворотных закрылках крыла по п. 1, отличающийся тем, что пропеллеры устанавливаются на закрылки в аэродинамических кольцах.5. A vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps according to claim 1, characterized in that the propellers are mounted on the flaps in the aerodynamic rings.
RU2021114795A 2021-05-24 2021-05-24 Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps RU2757693C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021114795A RU2757693C1 (en) 2021-05-24 2021-05-24 Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021114795A RU2757693C1 (en) 2021-05-24 2021-05-24 Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757693C1 true RU2757693C1 (en) 2021-10-20

Family

ID=78286650

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021114795A RU2757693C1 (en) 2021-05-24 2021-05-24 Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757693C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040065772A1 (en) * 2002-09-13 2004-04-08 Malvestuto Frank S. High-lift, low-drag, stall-resistant airfoil
CN207045727U (en) * 2017-07-14 2018-02-27 广州紫檀智能科技有限公司 A kind of aircraft
RU2648503C1 (en) * 2017-01-09 2018-03-26 Дмитрий Сергеевич Дуров Unmanned convertiplane with an arched wing
RU2671447C1 (en) * 2017-12-01 2018-10-31 Дмитрий Валентинович Рукавицын Individual aircraft (options) and methods of its flight
US20180370629A1 (en) * 2017-06-27 2018-12-27 Forward Robotics Inc. Tilt-rotor vertical takeoff and landing aircraft
US20210031911A1 (en) * 2019-08-02 2021-02-04 Kitty Hawk Corporation Fixed wing aircraft with trailing rotors and t-tail

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040065772A1 (en) * 2002-09-13 2004-04-08 Malvestuto Frank S. High-lift, low-drag, stall-resistant airfoil
RU2648503C1 (en) * 2017-01-09 2018-03-26 Дмитрий Сергеевич Дуров Unmanned convertiplane with an arched wing
US20180370629A1 (en) * 2017-06-27 2018-12-27 Forward Robotics Inc. Tilt-rotor vertical takeoff and landing aircraft
CN207045727U (en) * 2017-07-14 2018-02-27 广州紫檀智能科技有限公司 A kind of aircraft
RU2671447C1 (en) * 2017-12-01 2018-10-31 Дмитрий Валентинович Рукавицын Individual aircraft (options) and methods of its flight
US20210031911A1 (en) * 2019-08-02 2021-02-04 Kitty Hawk Corporation Fixed wing aircraft with trailing rotors and t-tail

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7457175B2 (en) Wing tilt actuation system for electric vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft
EP3093235B1 (en) Aircraft
US11634222B2 (en) Vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle having foldable fixed wing and based on twin-ducted fan power system
JP7436499B2 (en) Vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft
US11220325B2 (en) Thrust producing unit with at least two rotor assemblies and a shrouding
EP4403463A2 (en) Fixed wing aircraft with trailing rotors
US8181903B2 (en) Aircraft having the ability for hovering flight, fast forward flight, gliding flight, short take-off, short landing, vertical take-off and vertical landing
CA2801651C (en) Personal aircraft
JP2022551562A (en) Hybrid power system for different flight modes
US6808140B2 (en) Vertical take-off and landing vehicles
CN110254706A (en) It is a kind of can VTOL aircraft
EP1999016A1 (en) Convertible aircraft
CN112722243B (en) Distributed electric ducted fan power system for short-distance/vertical take-off and landing
CN116080900A (en) Vertical take-off and landing aircraft and control method thereof
CN213323678U (en) Power distribution type unmanned aerial vehicle capable of taking off and landing vertically
RU2757693C1 (en) Vertical take-off and landing aircraft with propellers on rotary wing flaps
WO2010005390A1 (en) Rotor wing concept for vtol aircraft
KR20230147103A (en) aircraft wing assembly
WO2003066429A2 (en) Improved vertical take-off and landing vehicles
RU2728017C2 (en) Short take-off and landing aircraft
EP3974315B1 (en) Vertical takeoff and landing aircraft
RU2789425C1 (en) Aircraft with a hybrid power plant
RU222496U1 (en) Vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle
US20240174353A1 (en) Vertical take-off and landing aircraft based on variable rotor-wing technology and dual rotor-wing layout
RU72198U1 (en) AIRCRAFT WITH HIGH AERODYNAMIC QUALITY