Воздушное судно и способ эксплуатации воздушного судна - RU2250181C2
Код документа: RU2250181C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к воздушному судну и способу его эксплуатации, в частности, к воздушному судну, имеющему двигатели с электрическим приводом.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные воздушные суда должны сочетать в себе высокий уровень безопасности с экономической эффективностью. Кроме того, они должны быть приспособляемыми к различным применениям.
Одна весьма универсальная идея в этой связи возникла при разработке воздушных судов того типа, которые называют воздушными судами вертикального взлета и посадки (ВСВВП), такими, как воздушное судно, описанное в патенте США №5419514. Хотя в этой области предложены различные конструкции, ни одна из них не привела к созданию воздушного судна, которое удовлетворяло бы требованиям современного коммерческого полета, в частности, касающимся безопасности и эффективности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поставленная задача заключается в том, чтобы разработать воздушное судно и способ эксплуатации воздушного судна, обеспечивающие высокий уровень безопасности и экономической эффективности.
Решение этой задачи описано в независимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению мощность для узлов движителя вырабатывается двигателем внутреннего сгорания, приводящим в действие электрический генератор. Мощность генератора используется узлами с электрическим приводом для создания подъемной силы и прямой тяги воздушного судна. Это позволяет обеспечить сочетание надлежащего соотношения между массой и запасом энергии двигателя внутреннего сгорания с надежностью и быстродействием электрических двигателей. Поскольку двигатель приводит в действие только генератор, его рабочие параметры подвержены меньшим изменениям, чем рабочие характеристики обычных двигателей внутреннего сгорания воздушных судов, что уменьшает риск дефектов и увеличивает эффективность.
Некоторые или, предпочтительно, все узлы движителя можно поворачивать по отдельности, так что их тягу можно регулировать по потребности. Поскольку в них используются электрические двигатели, а не двигатели внутреннего сгорания, на их надежную работу не оказывают негативное влияние моменты поворота. Узлы движителя можно поворачивать из вертикального положения вплоть до горизонтального положения. В вертикальном положении они создают подъемную силу, которая несет воздушное судно во время полета в режиме висения. В горизонтальном положении они создают прямую тягу для полета воздушного судна в крейсерском режиме.
Узлы движителя предпочтительно конструируют как вентиляторы в кольцевых обтекателях, содержащие, по меньшей мере, одну крыльчатку или рабочее колесо, расположенное в трубообразном обтекателе. Вентиляторы в кольцевых обтекателях имеют изменяемый диаметр выпускного канала и имеют направляющие пластины, которые можно втягивать в расширяющийся выпускной канал. Такие вентиляторы в кольцевых обтекателях способствуют достижению очень больших скоростей и создают малый уровень шума.
Располагая узлы движителя по окружности, получают конфигурацию, которая является особо устойчивой и простой в управлении. Воздушное судно предпочтительно содержит центральную кабину и кольцевое крыло, расположенное вокруг этой кабины. Узлы движителя располагают между кабиной и кольцевым крылом. Предпочтительно конструкция с высокой степенью симметрии, в которой для размещения узлов движителя предусмотрен зазор между центральной кабиной и кольцевым крылом, поскольку такое воздушное судно можно собрать из немногих простых узлов.
Когда узлы движителя находятся в горизонтальном положении, их линии тяги должны быть расположены выше центральной плоскости кольцевого крыла, чтобы воздушный поток на его поверхности увеличивался, а подъемная сила возрастала.
В предпочтительном варианте используют, по меньшей мере, пять узлов движителя, потому что, когда используют лишь четыре узла движителя, потеря всего одного из них приводит к конфигурации, которой невозможно управлять в большинстве ситуаций.
Кроме того, предпочтительно располагать узлы движителя не на прямой линии, а, например, по окружности, потому что такая компоновка обеспечивает надежное управление движениями тангажа и крена. Это особенно важно при переходе из полета в режиме висения в полет в крейсерском режиме, когда приходится компенсировать значительные движения тангажа.
Воздушное судно можно эксплуатировать при полете в режиме висения и при полете в крейсерском режиме. Во время полета в режиме висения узлы движителя повернуты вниз для создания подъемной силы с целью поддержания воздушного судна в воздухе. Во время полета в крейсерском режиме узлы движителя повернуты назад для создания прямой тяги, при этом подъемная сила динамически создается профилем фюзеляжа.
Пространственным положением воздушного судна, т.е. его тангажом, креном и рысканием можно управлять путем поворота узлов движителя и регулирования их тяги.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение станет более понятным, а задачи, отличные от тех, которые указаны выше, - очевидными при рассмотрении нижеследующего подробного описания изобретения. В этом описании делаются ссылки на прилагаемые чертежи, причем
на фиг.1 представлен вид спереди конкретного варианта осуществления изобретения при полете в крейсерском режиме,
на фиг.2 представлено сечение воздушного судна, показанного на фиг.1, в положении на линии исполнительного старта,
на фиг.3 представлено горизонтальное сечение воздушного судна, показанного на фиг.2, и
на фиг.4 представлен частичный разрез узла движителя с регулируемым диаметром выпускного канала.
СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1-3 показана базовая конструкция предпочтительного конкретного варианта осуществления воздушного судна. Оно содержит удлиненную центральную кабину 1, расположенную в центре центрального диска 2. Вокруг центрального диска 2 концентрично ему помещено кольцевое крыло 3. Вокруг центрального диска 2 и кабины 1 концентрично упомянутому диску предусмотрен кольцеобразный зазор 4. Через зазор 4 проходят радиальные перекладины (“спицы”) 5. Между перекладинами 5 вдоль внутренней стороны кольцевого крыла 3 размещены двенадцать узлов 101-112 движителя. Подробное разъяснение конструкции и работы этих узлов движителя приведено ниже.
Как на фиг.2 и 3, в данном конкретном варианте осуществления воздушного судна предусмотрено пространство для двух пилотов и шести пассажиров. В кабине 1 также предусмотрено место для пульта 10 управления и входа 11. На кабине 1 установлены и используются для парковки и руления четыре выдвижные опоры 12.
В центральном диске 2 по бокам от кабины 1 расположены два двигателя 14 внутреннего сгорания, каждый из которых приводит в действие генератор 15. Генераторы 15 обеспечивают мощность для питания узлов 101-112 движителя с электрическим приводом. Размеры двигателей 14 и генераторов 15 выбраны с возможностью обеспечения достаточной мощности для безопасной посадки даже после отказа одного двигателя или генератора.
Каждый узел движителя содержит вентилятор в кольцевом обтекателе с электрическим приводом, а также рабочим колесом или крыльчаткой 20 и электрическим двигателем. Рабочее колесо или крыльчатка 20 размещены в трубообразном кольцевом обтекателе 22 соосно с ним. Кольцевой обтекатель 22 установлен с возможностью поворота между двумя кронштейнами 24, 25 подвески. Регулированием положения поворота вентилятора в кольцевом обтекателе в диапазоне, превышающем 90°, управляет исполнительный электрический механизм. В частности, узлы движителя можно поворачивать из горизонтального положения, показанного на фиг.1, в котором они создают прямую тягу для воздушного судна, в вертикальное положение, показанное на фиг.2, в котором они создают подъемную тягу.
Как упоминалось выше, все узлы движителя питаются от генераторов 15, причем управление мощностью каждого узла движителя осуществляется индивидуально посредством узла 29 управления, изображенного условно. Все сигналы управления, необходимые для этой цели, рассчитываются по приказам пилота в полете. Пилоту не нужно заботиться о регулировании отдельных конструктивных элементов, он просто указывает интересующие его параметры, такие, как тангаж, рыскание и скорость воздушного судна.
Воздушное судно можно эксплуатировать в полете в режиме висения или крейсерском режиме, и им можно управлять с обеспечением мер безопасности в переходном состоянии между этими двумя режимами.
При полете в режиме висения, а также во время взлета и посадки узлы 101-112 движителя повернуты таким образом, что они создают воздушную струю 30, направленную вниз. Это соответствует положению, показанному на фиг.2. Подъемная сила, создаваемая таким образом, оказывается достаточной для поддержания полностью загруженного и заправленного воздушного судна в режиме висения.
Пространственное положение и отклонения воздушного судна при полете в режиме висения можно регулировать посредством мощности и углов поворота узлов 101-112 движителя.
Для регулирования подъемной силы мощность всех узлов движителя можно увеличивать или уменьшать одновременно. Управление креном воздушного судна предпочтительно осуществляют путем уменьшения или увеличения мощности боковых узлов 103, 104, 109, 110 движителя, управление тангажом - путем уменьшения или увеличения мощности передних (“носовых”) и задних (“хвостовых”) узлов 101, 112, 106, 107 движителя, а управление рысканием - путем поворота в противоположном направлении боковых узлов 103, 104, 109, 110 движителя.
Боковое смещение воздушного судна можно осуществить путем уменьшения тяги узлов движителя на одной стороне, что создает небольшой крен, в результате которого возникает небольшая боковая тяга.
Перемещения воздушного судна вперед и назад можно осуществлять, например, посредством наклона всех узлов движителя.
При полете в крейсерском режиме с большой скоростью все узлы движителя предпочтительно расположены параллельно направлению F полета, как это показано на фиг.1, и создают воздушную струю, направленную назад, а значит - и тягу для движения вперед. Подъемная сила создается профилем воздушного судна (кольцевого крыла и кабины).
Для управления пространственным положением во время полета в крейсерском режиме регулируют угол поворота и/или тягу узлов движителя. Для этого не требуются закрылки, рули направления или элероны.
В переходном состоянии между полетом в режиме висения и полетом в крейсерском режиме узлы движителя переводят из вертикального положения, показанного на фиг.2 и 3, в горизонтальное положение, показанное на фиг.1. Для этого все узлы движителя можно, например, одновременно и медленно поворачивать на 90°. В альтернативном варианте такой переход можно начинать, поворачивая лишь часть узлов движителя, оставляя при этом другие узлы движителя направленными вниз.
Данный конкретный вариант осуществления воздушного судна предназначен для вертикальной посадки. Для аварийных посадок в воздушном судне предусмотрен парашют, который, наряду с большой площадью крыла, достаточен для того, чтобы надлежащим образом прервать падение. В случае аварийной посадки опоры 12, демпфированные пружинами, обеспечивают зону смятия.
В случае отказа мощности привода узлы движителя по-прежнему можно поворачивать, используя их как закрылки, так что возможен полет в режиме планирования.
Для воздушного судна конкретный вариант осуществления показан на фиг.1-3, внешний диаметр составляет приблизительно 8 метров, а площадь крыла - приблизительно 29 м2. Воздушное судно можно изготовить из синтетических материалов, а масса пустого воздушного судна (“сухой вес”) составляет приблизительно 2 тонны. Максимальная взлетная масса составляет 3, 6 тонны при резервной мощности двигателей, составляющей 2×1600 лошадиных сил, и суммарной мощности узлов движителя, составляющей 100 кВт. Такому воздушному судну можно без затруднений придавать разные размеры.
В зависимости от размера воздушного судна можно изменять количество узлов движителя. Оно составляет, по меньшей мере, пять, а в предпочтительном варианте - по меньшей мере, шесть узлов движителя.
Ввиду высокой степени симметрии воздушного судна и применения нескольких идентичных узлов движителя изготовление, а также организация поставок запасных частей и техническое обслуживание значительно упрощаются. В то же время воздушное судно обладает большой устойчивостью.
В данном конкретном варианте осуществления кольцевое крыло 3 воздушного судна является совершенно круглым. Однако можно построить кольцевое крыло из нескольких прямолинейных секций крыла, расположенных, по существу, вдоль касательных вокруг кабины 1. Или крыло может иметь овальную форму. Термин “кольцевое крыло”, употребляемый в формуле изобретения, следует считать охватывающим все эти конкретные варианты осуществления.
Можно также использовать другие формы крыла, например, треугольные крылья.
Предлагаемое воздушное судно пригодно для эксплуатации в качестве пассажирского или грузового транспортного средства. Благодаря своей устойчивости и возможности вертикального взлета его также можно использовать в ситуациях, когда пространство ограничено.
Поскольку для узлов движителя используют несколько электрических двигателей, воздушное судно может очень быстро реагировать на изменения приложенных сил и является очень мобильным. Кроме того, поскольку используют много узлов движителя, отдельные электрические двигатели сравнительно малы, так что они могут реагировать быстро.
Во время полета в режиме висения скорость воздушного судна довольно мала, тогда как тяга, создаваемая узлами 101-112 движителя, должна быть довольно большой. Во время полета в крейсерском режиме скорость воздушного судна велика, тогда как тяга может быть меньше, чем во время полета в режиме висения. Поэтому предпочтительно конструировать узлы движителя таким образом, чтобы они обеспечивали большую тягу для полета в режиме висения, и при этом обеспечивали большую скорость истечения воздуха для полета в крейсерском режиме.
Предпочтительный конкретный вариант осуществления узлов движителя, удовлетворяющий этому требованию, показан на фиг.4. Как можно увидеть, выпускной канал 40 узла движителя образован множеством направляющих пластин 42, расположенных с образованием расширяющегося отверстия. Когда направляющие пластины 42 находятся в положении, показанном на фиг.4, диаметр D выпускного канала больше, чем диаметр выпускного канала без направляющих пластин 42. Как правило, диаметр D может составлять, например, 95 см при наличии пластин 42 и 65 см - без них. Чтобы уменьшить диаметр выпускного канала, направляющие пластины 42 можно втягивать в обтекатель 22. Следовательно, компоновку, показанную на фиг.4, с выдвинутыми направляющими пластинами 42 и большим диаметром D выпускного канала используют для полета в режиме висения, тогда как для полета в крейсерском режиме направляющие пластины 42 втягивают.
В качестве альтернативы втягиванию направляющих пластин 42 в обтекатель 22 эти направляющие пластины 42 можно выполнить с возможностью поворота по направлению к оси узла движителя, уменьшая тем самым диаметр D без втягивания.
Специалисту в данной области техники известны и другие приспособления для уменьшения диаметра выпускных каналов узлов движителя, например, диафрагменные приспособления или ограничивающие пластины, закрывающие часть отверстия выпускного канала.
Направляющие пластины 42 можно приводить в движение посредством специализированных серводвигателей. Однако предпочтительным является такое сочетание их движения с движением поворота узлов движителя, что диаметр D уменьшается автоматически, когда узлы движителя поворачиваются из их вертикального положения в их горизонтальное положение.
В качестве альтернативы или в дополнение к использованию регулируемого диаметра D выпускного канала можно регулировать угол установки лопастей рабочего колеса или крыльчатки 20. Его увеличивают при полете в крейсерском режиме и уменьшают при полете в режиме висения.
Хотя проиллюстрированы и описаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения, должно быть безоговорочно ясно, что изобретение не сводится к ним, а может быть осуществлено и внедрено на практике в других вариантах, находящихся в рамках объема притязаний, охватываемого нижеследующей формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к размещению силовых установок на летательном аппарате. Воздушное судно содержит центральную кабину 1, размещенную в центре кольцевого крыла 3. В зазоре между центральной кабиной и кольцевым крылом расположено несколько поворачиваемых узлов 101-112 движителя с электрическим приводом. При полете в режиме висения узлы движителя поворачивают для создания подъемной силы. Способ эксплуатации судна характеризуется осуществлением полета с использованием предложенного воздушного судна. В крейсерском режиме узлы движителя судна поворачивают для создания прямой тяги. Пространственным положением и перемещениями воздушного судна можно управлять путем индивидуального или совместного регулирования тяги и угла поворота узлов движителя. Технический результат - экономичность и безопасность в эксплуатации. 2 с. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.
