Гибридный воздухоплавательный аппарат - RU2752039C2

Чертежи

Описание

Предлагаемое изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, в частности к классу летающих машин.

Попытка научить летать автомобили пока оказалась не осуществима. Большинство создателей гибридных аппаратов пошли по пути приспособления самолетов к дорогам. Отсюда авиационная методология расчетов, повышенная прочность и точность изготовления компонентов.

Множество проблем возникает и при эксплуатации таких гибридных аппаратов:

- необходимы специальные площадки при взлете и приземлении, крылатым машинам еще необходима взлетная полоса;

- проблема обучения;

- проблема безопасности при полетах;

- необходимо создание службы контроля за воздушным пространством;

- вся земля застроена высотными зданиями и сооружениями, опутана проводами, множество запретных зон для полета, все это требует решения юридических проблем использования гибридных аппаратов.

Последнее время интерес к « авиа экзотике» падает в виду отсутствия перспектив на гибрид самолета и автомобиля» [1]. Однако для повышения маневренности пехоты и десанта в условиях бездорожья летающие БМП найдут широкое применение.

Предлагаемое изобретение представляет гибридный воздухоплавательный аппарат, составными частями которого являются: нижняя часть - корпус водоплавающего судна с гребным винтом, средняя часть - электромобиль с газовыми емкости, верхняя часть - квадрокоптер, создающий подъемную силу совместно с газовыми емкостями в корпусе сильфонов Для облегчения конструкции металлические детали колес выполнены из алюминия, а шины, увеличенного диаметра, заполнены легким газом.

К настоящему времени разрабатывается множество моделей гибридных аппаратов самолетного, вертолетного и мультикоптерного типа, однако до серийного производства дело не дошло.

Современными примерами « самолета, способного передвигаться по дорогам» являются машины «Транзишн» (Nransition) и « PAL - V One», разработанные американской компанией компанией «Terrafugia» и голландской «PAL - V Europe" соответственно [2, 3].

Двухместный «Транзишн» имеет композитную конструкцию, складывающееся крыло и двухкилевое хвостовое оперение, а также оснащен поршневым двигателем Rotax 912 ULS мощностью 95 л. с., который приводит во вращение трехлопастный толкающий винт Rotax диаметром 1,7 метра и позволяет машине развивать скорость полета до 185 км/ч и передвигаться по шоссе со скоростью до 110 км/ч. Дальность полета - 787 км, запас хода по шоссе - 1296 км, длина - 6,02 м, размах крыла - 8,08 м, высота - 1,98 м, длина/ширина в варианте автомобиль - 5,72/2,29 м, масса пустого - 440 кг, масса полезной нагрузки - 210 кг, максимальная взлетная масса - 650 кг. В случае сваливания экипаж может задействовать парашют, который обеспечивает плавное и безопасное снижение «летающего автомобиля». Автомобиль-самолет использует в качестве топлива не авиационный, а обычный высокооктановый бензин, которым можно заправиться на любой АЗС. Предполагается, что ежегодно будет производиться от 50 до 200 подобных машин. Размеры рынка оценить достаточно сложно, если учесть, что водительские права есть практически у всех совершеннолетних американцев, то лицензией пилота малой авиации обладают примерно 600 тыс. жителей США.

Главной проблемой, которую были вынуждены решать разработчики летающего автомобиля, было создание складного крыла. В итоге удалось разработать модель крыла, которая разворачивается и складывается нажатием кнопки (ранее появившиеся модели летающих машин использовали иной метод - крылья требовалось присоединять вручную). Однако до сих пор компания Terrafugia пока не получила разрешения на производство своих летательных аппаратов. Для этого Transition должен удовлетворять требованиям двух различных регулирующих структур: Национальной Администрации по Безопасности Дорожного Движения\National Highway and Traffic Safety Administration, которая лицензирует модели автомобилей, и Федеральной Авиационной Администрации\Federal Aviation Administration, которая лицензирует модели самолетов. По очевидным причинам, обе структуры используют принципиально различные критерии оценок. Заполнить воздушное пространство дорожными машинами - это многократно умножить проблему безопасности всего воздушного транспорта стран.

Второй аппарат представляет собой скорее двухместный «летающий мотоцикл», а если оценивать его с технической точки зрения - это гибрид автожира или гирокоптера и мини-автомобиля, который в полете движется за счет толкающего винта, установленного в хвостовой части «фюзеляжа», и несущего винта. Путевая устойчивость обеспечивается за счет разнесенного двухкилевого хвостового оперения. Винты и хвостовое оперение - складывающиеся, шасси - трехопорное с колесами достаточно большого диаметра, двигатель - бензиновый мощностью 160 кВт, позволяющий развивать скорость в воздухе и на земле до 180 км/ч. Масса пустого - 680 кг, максимальная взлетная масса - 910 кг. Прототип был облетан в 2012 году, сегодня компания ищет инвесторов для запуска аппарата в серийное производство - цена машины должна составить около 300 тыс. долл.

Оба аппарата могут работать на бензине, биотопливе или этаноле.

Голландский «летающий мотоцикл» вызвал интерес не только у гражданских энтузиастов, но и у полиции и военных. Особенностью двух машин является силовая установка, которая может работать как на бензине, так и на биотопливе или этаноле, и позволяет аппаратам взлетать с участка шоссе длиной 170 м. Полет возможен после курса подготовки.

В рамках программы, официально стартовавшей в 2010 году и рассчитанной на реализацию в ходе трех этапов, планировалось разработать как сам аппарат, так и такие отдельные системы, как вентиляторная движительная установка с воздушным винтом в кольцевой насадке и с гибридной электрической трансмиссией, новые электродвигатели, аккумуляторные батареи и конденсаторы повышенной емкости, а также современная система управления полетом и бортовая ЭВМ. Расчетные ТТХ американского «Трансформера» планировались следующие: длина - 910 см, ширина - 260 см, высота - 270 см, экипаж - 4 чел., масса полезной нагрузки - 450 кг, дальность - 450-460 км, броня - противопульная. Стоимость серийного образца планировалась в районе 1 млн. долл.

В ходе первого этапа намечалось выполнить исследования по отдельным направлениям, а также разработать концепцию будущего «чудо-оружия» и эскизных проектов прототипа и серийного образца. В рамках этого этапа агентство DARPA должно было найти исполнителей и выдать им контракты на общую сумму 65 млн. долл. Реально соглашения были подписаны с консорциумом компаний во главе с «AAI Corporation», а также с компаниями «Lockheed Martin» и «Pratt & Whitney Rocketdyne». Последняя получила задание разработать дизельный двигатель для «Трансформера».

В рамках второго этапа компании-победители тендера, «AAI Corporation» и «Lockheed Martin», должны были уже разработать полноценный проект «летающего автомобиля». Первая компания предложила автомобиль массой около 3220 кг, способный совершать полет на высоте 3050 м и оснащенный турбовальным двигателем Honeywell HTS900 мощностью 1200 л.с., приводящим в движение четырехколесное шасси при движении по земле или толкающим винт в кольцевой насадке диаметром 1,42 м и несущий винт диаметром 15,2 м. На суше аппарат должен был развивать скорость до 128 км/ч, а в воздухе - до 287 км/ч. Вторая компания предложила проект машины массой 3175 кг, оснащенной двумя турбовальными двигателями, приводящими во вращение поворотные винты в кольцевой насадке диаметром 2,6 м, установленные на крыле размахом 12,5 м, а также дизельным двигателем Pratt & Whitney EnduroCore, который должен был обеспечивать движение по суше. Наконец, на третьем этапе компания-победитель второго этапа должна была построить работающий прототип и поднять его в воздух в 2015 году.

Свой собственный вариант армейского «летающего автомобиля» предложила компания «AVX Aircraft», применившая в целом схожую концепцию, но решившая сделать ставку на применение соосного несущего винта, а винты в кольцевых насадках должны обеспечивать движение как в воздухе, так и на земле [4].

«Компания «AVX» предложила DARPA проект своего тактического «летающего автомобиля» AVX-TX, в котором применяется запатентованная комбинация соосного несущего винта и винтов в кольцевых насадках. Машина рассчитана на полезную нагрузку 470 кг, скорость полета 225 км/ч и скорость движения по дорогам до 130 км/ч». Компания «Logi Aerospace» в сотрудничестве с «Trek Aerospace» и «Zap Electric Vehicles» предложила машину «Тиранос» (Tyrannos), которая должна была оснащаться двигателем мощностью 130 кВт и могла бы совершать вертикальные взлет и посадку, для чего предлагается использовать четыре винта в кольцевых насадках, из которых три предполагалось использовать и для обеспечения горизонтального полета. Масса «Тираноса» определялась в 1360 кг, полезная нагрузка - 500 кг, максимальная скорость полета - 250 км/ч, а скорость движения по шоссе - до 100 км/ч [5]. Airphibian стала первым в мире летающим автомобилем, получившим сертификат Управления гражданской авиации США (Civil Aeronautics Administration) - предшественника FAA (Federal Aviation Administration). Однако, несмотря на очевидный успех летающей машины, Фултон не сумел довести ее до массового производства [6].

В июне 2017 года французский пилот Бруно Веццоли пересек пролив Ла-Манш на летающем автомобиле под названием «Пегас», который был создан предпринимателем Жеромом Дофи [7].

Советские инженеры попытались создать «крылатый танк». 19 января 1933 года конструкторское бюро Арама Назаровича Рафаэлянца, советского авиаконструктора и будущего разработчика оснащенного газотурбинным двигателем АЛ-9 Г экспериментального вертикально взлетающего аппарата «Турболет» (1957 г.), получило задание создать такой танк. Идея заключалась в том, чтобы подвесить танк БТ к самолету, с которого демонтировался мотор, а работа воздушного винта обеспечивалась от танкового двигателя посредством механической передачи. После посадки экипаж должен был отстыковать танк от «самолета» и вступить в бой, причем покидать машину для этого танкистам не требовалось бы. Интересно, что одновременно свой проект «летающего танка» представил тогда и будущий создатель соосных вертолетов Николай Ильич Камов - это был некий гибрид легкого танка и автожира. «Летающий танк» Рафаэлянца должен был вооружаться 20-мм автоматической пушкой и пулеметом ДТ, бронезащита - противопульная, силовая установка - 650-сильный двигатель М-17. Однако вскоре выяснилось, что с такой силовой установкой танк может полететь лишь «камнем вниз». Проект закрыли, но после начала Великой Отечественной войны, когда дела на фронте обстояли весьма не блестяще, стали хвататься за любые соломинки. Вспомнили и о «летающем танке», работу над которым на этот раз взял на себя авиаконструктор Олег Константинович Антонов.

Речь шла о создании под имеющийся легкий танк Т-60, выпускавшийся в количестве почти 6000 штук и вооруженный 20-мм пушкой ТНШ и 7,62-мм пулеметом ДТ, простого по конструкции одноразового планера бипланной схемы с разнесенным двухкилевым оперением с двумя стабилизаторами. Танк должен был «вставляться» в планер, который, в свою очередь, должен был буксироваться самолетами ДБ-3 Ф или ТБ-3. Планировалось, что «крылатый танк» будет отцепляться от самолета-буксировщика за 20-26 км от назначенного района высадки, бесшумно преодолевать расстояние и выполнять посадку, после чего планер сбрасывается и машина вступает в бой. Данную систему предполагалось использовать для переброски отрядов легких танков для диверсионных рейдов в тыл противника или для усиления партизанских отрядов. Планер, которому присвоили обозначение «КТ» («Крылья танка», также применялись обозначения А-Т, АТ-1 и А-40), был спроектирован всего за две недели, и уже летом 1942 года прототип, построенный в Тюмени, был готов к испытаниям. Бипланная коробка планера имела размах крыльев 18,0 м, длина планера - 12,06 м, масса планера с танком составляла 7804 кг, а сам танк был облегчен до 5800 кг (на испытания танк лишился вооружения, фар и почти всего топлива). Крылья - двухлонжеронные, с фанерным носком до первого лонжерона и полотняной обшивкой, соединялись они набором из четырех И-образных стоек и расчалок. Крылья имели элероны и щелевые закрылки, руль высоты имелся только на верхнем стабилизаторе. Управление планером в полете осуществлял механик-водитель танка, для чего имелось тросовое управление. В состав экипажа также входил стрелок.

Впрочем, как и в случае с любым «чудо-оружием», в реальности ситуация оказалась существенно далека от тех фантазий, которые овладевали военными и конструкторами. Чудес не бывает. То же произошло и с «летающим танком» КТ/Т-60 - данный бронированный авиакомплекс смог совершить всего один полет, 2 сентября 1942 года. Самолет-буксировщик, в роли которого выступил модифицированный бомбардировщик ТБ-3 с четырьмя усиленными, мощностью по 970 л. с, двигателями АМ-34 РН (командир экипажа Павел Арсентьевич Еремеев), а планером-танком КТ управлял известный советский летчик-испытатель Сергей Николаевич Анохин (1910-1986 гг.). Комплекс в воздух, конечно, поднялся, но ввиду большого аэродинамического сопротивления мощности силовой установки ТБ-3 хватило только на то, чтобы поднять комплекс на высоту 40 метров и развить скорость 130 км/ч. Попытка увеличить скорость успехом не увенчалась - моторы начали перегреваться, а весь комплекс стал терять высоту. Летчик П.А. Ерофеев в итоге принял решение отцеплять планер с танком аварийно в районе ближайшего аэродрома, откуда танк своим ходом вернулся на базу. Фонд перспективных исследований (ФПИ), курируемый вице-премьером Дмитрием Рогозиным, определил победителя конкурса на создание «летающего автомобиля». На конкурс подали 61 заявку, а победителями стали две компании - «ПромСервис» из Истры (Московская обл.) и «Флэш-М» из Красноярска.

«С победителем и призером ФПИ предполагается заключить соглашения на реализацию авиапроектов, по итогам выполнения которых будут приниматься решения о реализации в 2018-2020 годах за счет средств ФПИ соответствующих научно-технических проектов по созданию летательного аппарата вертикального или сверхкороткого взлета и посадки», - говорится в информации ФПИ. Другие подробности о проекте не приводятся [8]. В настоящее время и «Автоваз» планирует разработку «летающих автомобилий». Российская фирма «Hoversuper» разработала летающее пассажирское такси на основе летающих дронов. Летательный аппарат полностью автоматизирован и ориентируется по системе «Гланас». Одновременно он отслеживает все предметы окружающего воздушного пространства [9]. Большой опыт испытаний экспериментальных образцов летательных машин показал, что более перспективны летательные аппараты с вертикальным взлетом и посадкой, массовое производство которых - проблема завтрашнего дня. Немецкой фирмой Lilium Aviation разработана машина, вмещающая четырех человек, способна взлетать вертикально, как вертолет, и будет обладать при этом реактивным двигателем. Она будет работать на водородном топливе. Летающий автомобиль будет использовать запатентованную Urban Aeronautics технологию Fancraft Это означает, что лопасти ротора будут установлены внутри транспортного средства, а не снаружи, как у вертолетов. Данная технология позволит летающему автомобилю приземляться и взлетать вертикально с любых поверхностей, не подвергая риску лопасти [10]. За прототип можно принять воздухоплавательный аппарат, состоящий из машины и пароплана. Здесь вес машины компенсируется подъемной силой пароплана. На машине необходимо иметь толкающий винт и полосу более 100 м разбега. Летит со скоростью 60 км/ч на высоте до 900 м. проблематичны вопросы управления, взлета и посадки. Такая машина, годится только для экстремалов [11].

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ - создание гибридного воздухоплавательного аппарата на базе электромобиля и квадрокоптера с применением газовых емкостей для создания подъемной силы, предназначенного для перемещения по бездорожью, воде и воздуху.

Предлагаемый гибридный воздухоплавательный аппарат создан для перевозки людей и грузов в условиях бездорожья, слабой обводненной почвы тундры и множества рек и ручьев без наличия мостов при строительстве производств и прокладке трубопроводов в районе Крайнего Севера.

Гибридный воздухоплавательный аппарат включает электромобиль повышенной проходимости, квадраоптер и газовые емкости, отличающийся тем, что газовые емкости, создающие подъемную силу вместе с авиационными движителями квадраоптера, выполнены в виде сильфонов, изменяющих объем газа с помощью натяжных устройств, причем днище электромобиля выполнено в форме днища водоплавающего судна, что улучшает движение аппарата по воде, а на дне электромобиля расположены резервные газовые емкости избыточного давления. В целях облегчения аппарата обод и диск колес выполнены из алюминия, шины заполнены легким газом, что улучшает передвижение аппарата по бездорожью, воде и воздуху. Машина создана для кратковременных перелетов в затруднительных ситуациях и не предназначена для дальних полетов на больших высот х, что потребовало бы наличие крыльев и мощных вертолетных двигателей, а значит и дополнительных аккумуляторов или баков с горючим, а также аэродинамических свойств корпуса машины. Это уже будет не электромобиль, а гибридный летательный аппарат, менее приспособленный для перемещения по дорогам и большими проблемами с допуском в небо.

На фиг. 1 представлен гибридный воздухоплавательный аппарат для перемещения по воздуху;

на фиг. 2 представлен гибридный воздухоплавательный аппарат для перемещения по бездорожью и воде;

на фиг. 3 представлен гибридный воздухоплавательный аппарат сверху с разрезом.

Основными элементами гибридного аппарата являются:

Кабина, 2 - сильфон газовой камеры, 3 - натяжное устройство, 4 - движитель квадрокоптера, 5 - грузовой отсек, 6 - аккумуляторы, 7 - гребной винт, 8 - резервные газовые емкости, 9 - мотор электромобиля, 10 - колесо с шиной, заполненной газом, 11 - нижняя часть электромобиля в форме корпуса водоплавающего судна, 12 - ватерлиния, 13 - пульт управления электромобиля, 14 - пульт управления квадрокоптером.

При перемещении гибридного воздухоплавательного аппарата по воздуху задействованы следующие устройства (фиг. 1): кабина - 1 электромобиля оснащена тремя креслами для водителя и два для пассажиров, а также пультом управления электромобиля - 13 и пультом управления квадрокоптером - 14. При преодолении препятствия высотой до 3 м и невозможности его объехать раздвигаются сильфоны газовых камер - 2, компенсирующие вес электромобиля.

Дальнейшее движение аппарата осуществляется движителями квадрокоптера - 4 под управление пульта управления - 14 и системой навигации.

При посадке сильфоны 2 сжимаются автоматическими натяжными устройствами - 3 и аппарат движителями 4 плавно касается земли. При утечки газа - гелия из сильфонов газ можно компенсировать из резервных газовых емкостей - 8, находящихся под избыточным давлением (тяжелые баллоны с жатым воздухом, заменены на емкости с легким прочным полимерным корпусом).

При перемещении гибридного воздухоплавательного аппарата по бездорожью и воде (фиг. 2) задействованы следующие устройства: сильфоны газовых камер 2 находятся в сжатом состоянии внутри корпуса электромобиля (движители квадрокоптера при длительном неиспользовании, могут быть демонтированы). Газовые камеры сильфонов - 2 и резервные газовые емкости - 8, значительно облегчают вес электромобиля, что улучшают его движения по воде, при этом тяговое усилие осуществляет гребной винт - 7, а управление движением по воде осуществляется поворотом колес - 10. Движению аппарата по воде способствует выполнение нижней части электромобиля - 11 в форме корпуса водоплавающего судна, Для сохранения растительного покрова тундры барабаны и диски колес - 10 выполнены из алюминия, а шины большего размеры, чем обычные выполнены из жестко-эластичной резины или пластика и заполнены легким газом-гелием.

На фиг. 3 представлен гибридный воздухоплавательный аппарат сверху с разрезом. Все колеса электромобиля 10 ведущие и каждое колеса приводится в движение электромотором 9. Питание электромоторы получают от литий - ионных аккумуляторов 6, которые тяжелы, дороги и ограничивают грузоподъемность и длительность работы гибридного воздухоплавательного аппарата. Возможно в перспективе применение иридиевых гранул с плутонием 238, которые в радиоизотопных термоэлектрических генераторах вырабатывают энергию, обеспечивающую работу летательных аппаратов или зарядных устройств в течение десятилетий [12]. Такое зарядное устройство или элемент питания для условий Крайнего Севера весьма необходимы-, селений в районе тундры и тайги почти нет.

Корпус электромобиля - алюминиевая рама, обтянутая кевларом. Более дешевый корпус из полипропилена, но такой корпус не подлежит восстановлению после удара при аварии.

Скорость гибридного воздухоплавательного аппарата значительно ниже, чем у самолетов, приспособленных к дорогам, зато и расход энергии в разы меньше. Грузоподъемность гибридного воздухоплавательного аппарата ограничена: при полете - подъемной силой квадрокоптера и газовых камер; при движение по воде - ватерлинией, а по трудно восстанавливаемом покрове тундры - допустимым удельным давление колес на почку.

Большинство элементов предлагаемого устройства выполняются из алюминия, легких углепластиков, например, пластик ABS или волокна КЛЕВЛАР, которые прочнее стали, но легче ее.

В бескрайней России мало хороших дорог, зато много снегов, пустынь и болот. Предлагаемый гибридный воздухоплавательный аппарат может быть спасительным средством в песках, снегах и грязи. Да и стоимость такой машины не на много больше обычной. Разработанное устройство приемлемо в условиях Крайнего Севера, болотистой слабой почвы тундры при строительстве промышленных объектов и трубопроводов для оперативной доставки документации, запчастей и специалистов.

1. Щербаков В. Летающий автомобиль: от фантастики до реальности // Братишка : Ежемесячный журнал подразделений специального назначения. - М.: ООО «Витязь-Братишка», 2013. - №4. - С. 44-44

2. The Transition (Terrafugia, США),

3.. PALV (Дж. Беккер, Голландия),

4. AMV-211 (AMV Aircraft, США),

5. Skyblazer (Р. Хайнес, США),

6. Aerocar (Мултон Тейлор, США),

7. Французский пилот пересек Ла-Манш на летающем авто. RuNews24.ru (14 июня 2017 года).

8. https://news.drom.ru/52441.html?tcb=1499424897

9. https://yotube.com

10. rosbalt.ru

11. https://myvi.ru

12. NASA Memo Regarding Radio-Isotope Thermal Generators. Posted: Saturday, March 17, 2018

Реферат

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов. Гибридный воздухоплавательный аппарат, предназначенный для передвижения по бездорожью, воде и воздуху, включает электромобиль с колесами повышенной проходимости, квадрокоптер и газовые емкости, создающие подъемную силу вместе с авиационными движителями квадрокоптера. Газовые емкости выполнены в виде сильфонов, изменяющих объем газа с помощью натяжных устройств. Днище электромобиля выполнено в форме днища водоплавающего судна, что улучшает движение аппарата по воде. На дне электромобиля расположены резервные газовые емкости избыточного давления. Колеса электромобиля имеют обод и диск из алюминия, а также шины, заполненные легким газом. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула