Летательный аппарат "шота" со специальным винтом

 

Изобретение относится к авиации и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, а также аэростатических аппаратов и аппаратов тяжелее воздуха, содержащих воздушные винты. Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах его полета. Для этого он снабжен устройством, обеспечивающим устойчивость его в полете и содержащим подвесной управляемый в плоскости симметрии летательного аппарата грузовой отсек, и специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом и переменными диаметром и круткой лопастей. Устройство для обеспечения устойчивости в полете размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и выполнено в виде рельса, изогнутого по дуге окружности с центром кривизны, близким к центру масс аппарата, снабжено катками со средствами торможения, взаимодействующими с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного подвесного контейнера, а лопасти специального воздушного винта выполнены из внутренней и наружной частей, телескопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим. Кроме того, лопасти снабжены средствами поворота и изменения крутки по командам от системы управления. При изменении режимов работы силовой установки и условий полета от системы управления могут поступать сигналы на изменение диаметра винтов, изменение шага и крутки лопастей, чем достигается повышение КПД силовой установки, а перемещение массы грузового отсека по дуге окружности позволяет управлять положением летательного аппарата в вертикальной плоскости симметрии летательного аппарата. 5 з. п.ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к авиации и может быть использовано при проектировании самолетов с вертикальным взлетом и посадкой.

Известен самолет с вертикальным взлетом и посадкой с фюзеляжем, с пассажирским салоном, с жестко закрепленными крыльями и с силовыми установками с изменяемым вектором тяги на концах [1].

Известен летательный аппарат, содержащий аэростатический корпус, крылья, силовые установки изменяемого вектора тяги и грузовой отсек расположенный внутри корпуса [2].

Известен также винт с лопастями изменяемой длины, лопасти которого выполнены из внутренней и наружной частей. Внутренняя часть выполнена относительно неподвижной, в виде трубы овального сечения. Наружная часть (подвижная) имеет аэродинамическую поверхность и надета на неподвижную с возможностью продольного перемещения при помощи пары винт-гайка размещенной внутри лопасти [3].

Недостатком известного летательного аппарата является сложность конструкции, неудобство погрузочно-разгрузочных работ, малый КПД винтов на режимах взлета-посадки. Винт, приспособленный к несущему режиму на взлете-посадке, является малонагруженным в горизонтальном полете, что снижает летно-технические характеристики аппарата.

Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах полета.

Это достигается тем, что летательный аппарат со специальным винтом выполнен по схеме среднеплан с аэростатическим корпусом, механизированными крыльями, хвостовым оперением и содержит шасси, силовые установки с воздушными винтами и средством изменения вектора тяги и систему управления, а также устройство, обеспечивающее его устойчивость в полете, и подвесной, управляемый в плоскости симметрии аппарата грузовой отсек.

Летательный аппарат снабжен специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом и переменными диаметром и круткой лопастей, при этом устройство, обеспечивающее устойчивость в полете, размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и содержит рельс, изогнутый по дуге окружности с центром вблизи к центру масс летательного аппарата, а также катки со средством торможения, взаимодействующие с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного грузового контейнера.

Каждая из лопастей специального воздушного винта выполнена из внутренней и наружной частей, телескопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим, снабжена ходовым винтом с гайкой и механизмом изменения диаметра и крутки лопасти, наружная часть лопасти снабжена лонжероном овального сечения с жестким концевым обтекателем и подвижным на подшипниках, охватывающей лонжерон упруго деформируемой при кручении обшивкой, подкрепленной нервюрами и стрингерами и заполненной упруго деформируемым наполнителем в виде губчатой резины или пенопласта, а механизм изменения крутки лопасти содержит зубчатую рейку, выполненную вдоль задней кромки внутренней части лопасти и зубчатые передачи, включающие зубчатые секторы и редукторы, установленные на лонжероне наружной части лопасти и взаимодействующие с рейкой и зубчатыми секторами, установленными на нервюрах и взаимодейст- вующими с выходными шестернями редукторов. Направляющие между внутренней частью лопасти и лонжероном наружной части лопасти выполнены в виде Т-образной пары у передней кромки внутренней части лопасти и в виде скобы, выполнены по задней кромке лонжерона наружной части, обеспечивающих продольное перемещение. Подшипники между направляющими корпуса и лонжероном овального сечения выполнены в виде двух пар секторов колец подшипников разного диаметра, соответствующих малой и большой оси овала, при этом подшипниковые пары секторов имеют Т-образный профиль и свободу перемещения по дуге в пределах изменения крутки лопасти. Внутренняя часть лопасти направляющие обоих ее частей и лонжерон выполнены с аэродинамической круткой.

Механизм крутки лопаcти включает cвязанный c cиcтемой управления зубчатый cектор, подвижно уcтановленный на комле лопаcти и взаимодейcтвующий c cиcтемой зубчатых передач зубчатой рейкой, редуктором и зубчатыми cекторами нервюр, обеcпечивающими управление круткой лопаcти, при этом рейка и зубчатые передачи выполнены коcозубыми.

Выполнение указанных уcловий обеcпечивает упрощение конcтрукции, повышение KПД cиловой уcтановки и летно-техничеcких характериcтик летательного аппарата на вcех режимах полета.

На фиг.1 показан летательный аппарат; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - специальный винт, вид сбоку при Д_мин; на фиг.4 - то же, вид сверху (кинематика механизма); на фиг.5 - винт при Д_макс; на фиг.6 - винт при Д_макс, вид сверху; на фиг.7 - сечение Б-Б на фиг.6; на фиг.8 - сечение В-В на фиг.6; на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг.6; на фиг.10 - лопасть, вид сверху (кинематическая схема механизма изменения крутки лопасти); на фиг.11 - сечение Д-Д на фиг.10; на фиг.12 - сечение Е-Е на фиг.10; на фиг.13 - сечение Ж-Ж на фиг.10; на фиг.14 - кинематическая схема шарнирного крепления лопасти к втулке винта; на фиг.15 - схема размещения ходового винта в концевой части лопасти; на фиг.16 - то же, вид сверху; на фиг.17 - сечение И-И на фиг.16.

В состав летательного аппарата входит аэростатический корпус 1 (фиг.1), наполненный гелием или горячим газом, киль 2, стабилизатор 3 с рулями управления, механизированные крылья 4, схемы "среднеплан", заделанные в корпус лонжероном 5, гондола 6, шасси 7, сменный контейнер 8, подвешенный катками 9 к Т-образному рельсу (фиг.2) или к двум таким параллельным рельсам 19. Катки выполнены тандем. Причем рельсы согнуты по окружности с центром вблизи центра масс летательного аппарата. Контейнер выполнен так, что его передняя часть размещена в обтекателе 11, выполненном в задней части кабины, и может свободно перемещаться. На обтекаемых консолях 12 выполнены поворотные маршевые двигатели, силовые установки 13 на цапфах 14 с механизмом поворота с зубчатым сектором 15, редуктором 16 с приводом 17 и специальным винтом 18.

На взлете-посадке винт имеет Д_макс (положение "а") и Д_мин (положение "б") в горизонтальном полете. Специальный винт содержит лопасть 19 (фиг.1 и 2), втулку 20, полую цапфу 21, сферический подшипник 22, на котором выполнена относительно неподвижная часть (внутренняя "в") 23 лопасти, сплюснутая в конце лопасти (фиг.4) с направляющими: передними 24 и задними 25, на которых подвижно вдоль лопасти посажен лонжерон 26, сплюснутый (г) в конце лопасти, с Т-образными салазками 27 в передней части и со скобой 28 - в задней части, на концевом обтекателе 29 с выполненной в нем трубой 30, сплюснутой (д) и с вырезоме (фиг. 16) в стыке с концевым обтекателем, раздвоенной в конце лопасти, переходящей в две трубы или две части 31 и 32 этой трубы (фиг. 17) с целью уменьшения высоты профиля (толщины) в конце лопасти (фиг. 15) из соображений аэродинамики при данном диаметре ходового винта. Подвижная часть лопасти в положении наибольшего диаметра базируется на неподвижной части усиленными элементами l и lʹ (фиг.4), плотно подогнанными между собой.

Наибольшую длину раздвигания лопасти можно обеспечить при наименьшей заделке L, l (фиг.6). Посадка части лопасти впереди при помощи Т-образного профиля обеспечивает не только хорошую работу при плоском изгибе, но и наименьшую длину заделки, а также жесткость соединения без заедания и заклинивания при наибольшем диаметре. Нормальной работе лопасти способствует также П-образный профиль в задней части с базой L (фиг.6) при работе на кручение. На конце трубы выполнена гайка 33, надетая на винт 34, соединенный шарнирной муфтой 35 (например, зубчатой) с валиком 36 привода механизма изменения диаметра винта с коническими шестернями 37 и 38. Центробежные нагрузки, возникающие в подвижной части, воспринимаются ходовым винтом и передаются на втулку винта посредством сферического подшипника 39. Корпус подвижной части лопасти выполнен упругодеформируемым, аэродинамические формы которого обеспечиваются набором нервюр: полного профиля 40 и ложных 41 (фрагменты нервюр) и продольных элементов жесткости (стрингеров) 43. Материал заполнения наружной части лопасти - губчатая резина, пенопласт или какие-либо специальные материалы. Корпус лопасти обтянут обшивкой, материал которой обеспечивает восстановление геометрических форм после снятия нагрузок. Упругодеформируемый корпус армирован жесткими элементами и посажен на лонжерон наружной части и взаимодействует с последним посредством башмаков 44 и направляющих 45 (фиг.10) в плоскости лопасти и 46,47 - по вертикали, выполненных в виде дужек с центром кривизны в оси жесткости лопасти совпадающей с осью ходового винта. Сочленение башмаков с направляющими может быть в разном выполнении: плоско-цилиндрическое, как сектора пар скольжения или сложного профиля, например Т-образного сечения, работающего на отрыв. Такое выполнение обеспечивает жесткость корпуса, что особенно важно иметь в концевой части лопасти, где высота профиля ниже.

Свободное перемещение подвижной части лопасти и деталей механизма внутри лопасти обеспечивается специальными окнами и пустотами 48 (фиг.12). Защитный кожух 49 может быть заменен телеско- пическими секциями или раздвижными щитками, какие применяются, например, в станкостроении для защиты направляющих. Изменение крутки лопасти производится либо при перемещении наружной части по внутренней, либо независимо от этого в горизонтальном полете при постоянном диаметре винта (условная линия на фиг.10). Так как косозубый сектор 51 зафиксирован на втулке в неподвижном положении рычагом 52 и зацеплен с шестерней 53, а последняя - с шестерней 54, в свою очередь зацепленной с шестерней 55, с муфтой 57, а та - с шестерней 58 с необходимой редукцией, а последние с зубчатыми секторами 59, сидящими на нервюрах, крутка лопасти меняется в зависимости от положения рычага 60 управления углом установки лопасти, зависящим от скорости полета. Когда же подвижную часть лопасти отодвигают вдоль неподвижной части (основная линия фиг.10), шестерня 54 выходит из зацепления с шестерней 53 и входит в зацепление с зубчатой рейкой 61, после чего крутка лопасти зависит от положения подвижной части на неподвижной.

Аппарат работает следующим образом: В исходном положении на земле летательный аппарат стоит на шасси 7 так, что контейнер 8 можно снять катками 9 с Т-образных направляющих и из обтекателя 11 кабины 6 перемещением его назад по полету, причем корпус 1, наполненный легким газом, находится во взвешенном положении либо опирается на шасси не со всей тяжестью.

Взлет осуществляется винтами 18, находящимися в положении "а", когда вектор тяги направлен вверх. После достижения расчетной высоты полета силовая установка каждого крыла вместе с крыльями одновременно поворачивается в цапфах 14 консолей 12, для чего включают сервомоторы 17 и через редуктор 16 поворачивают зубчатый сектор 15, жестко выполненный на цапфе, и поворачивают винт в горизонтальное положение "б". Управляя рулями 2 киля и стабилизатора 3, рукояткой назад, увеличивают угол атаки крыльев 4.

Возможно и такое выполнение, когда двигатели стоят на крыльях и последние поворачиваются вместе с силовыми установками.

После выполнения эволютивного режима и увеличения скорости полета угол наклона продольной оси фюзеляжа уменьшают. При этом в системе подвески груза возникает составляющая силы тяжести, которая перемещает контейнер по рельсам назад до исчезновения этой силы. При резком выполнении маневра возможно возникновение затухающего маятникового колебания груза. С целью устранения этого явления можно применить тормоза. Может быть применен и гидравлический демпфер, широко известный в авиации.

Лопасти винта 18 на взлете установлены на максимальный диаметр, а при переходе в горизонтальный полет - минимальный диаметр. Для этого пользуются приводом изменения диаметра (не показан). Шестерни 37, 38 приводят во вращение через валик 38 и муфту 35, ходовой винт 34 и гайку 33 посредством трубы 30, ее частей 31 и 32 и обтекатель 29. Перемещается лонжерон и вместе с ним вся подвижная часть по направляющим 24 и салазкам 27 вдоль неподвижной части. Поскольку шестерня 53 зацеплена с зубчатой рейкой 61, то во время перемещения подвижной части по неподвижной она приходит во вращение и в свою очередь приводит во вращение шестерни 54, 55, вал 56 с муфтой 57 (58) и сектор 59, и нервюры поворачиваются относительно оси, совпадающей с осью жесткости, совпадающей с центром давления расчетного режима посредством башмаков и направляющих 44 - 47.

При перемещении части лопасти в положение минимального диаметра посредством рычага 60 изменения угла установки лопасти шаг винта и крутка лопасти происходят по расчетному закону. Вблизи крайне малого диаметра винта в исходном положении шестерни 51 с рычагом 52 свободная шестерня 54 выходит из зацепления с рейкой 61 и входит в зацепление с шестерней 53. После этого в горизонтальном полете крутка лопасти может меняться независимо от шага или с шагом по воле пилота, манипулирующим рычагом 52 или 60. Защитный кожух 49 может быть заменен телескопическими жесткими секциями. При этом корневая секция имеет посадку на цапфе 21, например, с возможностью свободного вращения в подшипнике, а крайняя секция, ближняя к торцу подвижной части, жестко соединена с последней. В результате образуется "гармоника", обеспечивающая защиту подвижных частей и некоторое увеличение тяги винта. Включением привода управления на реверс шестерни 37, 38 подвижная часть начинает обратное перемещение в сторону максимального диаметра с момента выхода свободной шестерни 54 из зацепления с шестерней 53 и входа в зацепление с зубчатой рейкой 61.

Формула изобретения

1. Летательный аппарат со специальным винтом, выполненный по схеме среднеплан, содержащий аэростатический корпус, механизированные крылья, хвостовое оперение, шасси, силовую установку с воздушными винтами и средством изменения вектора тяги и систему управления, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции повышения КПД силовой установки и летно-технических характеристик летательного аппарата на всех режимах полета, он снабжен устройством, обеспечивающим устойчивость его в полете и содержащим подвесной управляемый в плоскости симметрии аппарата грузовой отсек, со специальными воздушными винтами с изменяемым в полете шагом, переменными диаметром и круткой лопастей, при этом устройство для обеспечения устойчивости в полете размещено в нижней части корпуса летательного аппарата и содержит рельс, изогнутый по дуге окружности с центром кривизны, близким к центру масс летательного аппарата, а также катки со средствами торможения, взаимодействующими с рельсом и грузовым отсеком, выполненным в виде сменного подвесного контейнера.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждая из лопастей специального воздушного винта выполнена из двух частей, внутренней и наружной, телекопически соединенных между собой с возможностью взаимного продольного перемещения по направляющим, снабжена ходовым винтом с гайкой и механизмом изменения крутки лопасти, наружная часть лопасти снабжена лонжероном овального сечения с жестким концевым обтекателем и подвижной на подшипниках, охватывающей лонжерон упругодеформируемой при кручении обшивкой, подкрепленной нервюрами и стрингерами и заполненной упругим наполнителем в виде губчатой резины или пенопласта, а механизм изменения крутки лопасти содержит зубчатую рейку, выполненную вдоль задней кромки внутренней части лопасти, и зубчатые передачи, включающие зубчатые секторы и редукторы, установленные на лонжероне наружной части лопасти и взаимодействующие с рейкой и с зубчатыми секторами, установленными на нервюрах и взаимодействующими с выходными шестернями редукторов.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что направляющие между внутренней частью лопасти и лонжероном наружной ее части выполнены в виде Т-образной пары у передней кромки внутренней части лопасти и в виде скобы, охватывающей стенку, выполненную по задней кромке этой части лопасти, обеспечивающих продольные перемещения.

4. Аппарат по пп.2 и 3, отличающийся тем, что подшипники между нервюрами корпуса и лонжероном овального сечения выполнены в виде двух пар секторов колец подшипников разного диаметра, соответствующих малой и большой осям овала, при этом подшипниковые пары секторов имеют Т-образный профиль и свободу перемещения по кругу в пределах изменения крутки лопасти.

5. Аппарат по пп.2 - 4, отличающийся тем, что внутренняя часть лопасти, направляющие обеих ее частей и лонжерон выполнены с аэродинамической круткой.

6. Аппарат по пп. 3 - 5, отличающийся тем, что механизм крутки лопасти включает в себя связанный с системой управления зубчатый сектор, подвижно установленный на комле лопасти и взаимодействующий с системой зубчатых передач - зубчатой рейкой, редукторами и зубчатыми секторами нервюр, обеспечивающими управление круткой лопасти, при этом рейка и зубчатые передачи выполнены косозубыми.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17