Универсальный полиплан

 

Использование: изобретение относится к летательным аппаратам, преобразуемым в другие типы транспортных средств, выполняемым многоцелевыми и с возможностью движения по земле, воде и снежному покрову в зависимости от вида шасси. Сущность изобретения: транспортное средство, имеющее шасси с приводом и аппарат для создания тяги при полете, выполнено с решетчатым крылом, сконструированным по аэродинамической схеме лопаточной решетки рабочего колеса компрессора в относительном движении. Крыло представляет собой две килевые стойки, смонтированные с возможностью поворота в вертикальной плоскости и между которыми расположены поворотные профильные элементы с отрицательным выносом. При подъеме крыла полиплан преобразуется в летательный аппарат, а при его опускании - в наземное транспортное средство. В зависимости от вида шасси и формы корпуса полиплан может передвигаться также по воде и снежному покрову. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к летательным аппаратам, преобразуемым с помощью различных технических средств в многоцелевое транспортное устройство с возможностью перемещения по земле, воде и снежному покрову в зависимости от вида шасси.

Известен летательный аппарат - полиплан, способный перемещаться и по земле, содержащий решетчатое крыло, профильные элементы которого размещены между двумя килевыми стойками с плосковыпуклым профилем сечения, а линия их центров параллельна потоку (см. , например, патент США N 1991651, кл. 244.453, нижняя группа профилей).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность решетчатого крыла из-за значительного поворота потока, что сопровождается ростом потерь и общего сопротивления крыла.

Увеличить эффективность и подъемную силу крыла за счет изменения углов атаки или установки профилей здесь не представляется возможным.

Известен также летательный аппарат - полиплан, решетчатое крыло которого составлено из системы профильных элементов, расположенных друг над другом, так что фронтальная линия (плоскость) перпендикулярна потоку (см., например, патент США N 2713465, кл.244.2).

Недостаток известного полиплана заключается в низкой эффективности крыла, в данном случае обусловленной отрицательным взаимовлиянием профилей из-за поперечных перетеканий между нижней и верхней поверхностями соседних профилей, выравнивающих перепад давления между ними. Выравнивающий давление поток направлен перпендикулярно основному, что приводит к его скосу в сторону уменьшения эффективного угла атаки и подъемной силы в целом. Очевидно, по этой причине летательные аппараты, выполненные по схеме полиплан с фронтом решетки, перпендикулярным потоку, не получили достаточного распространения.

Известен летательный аппарат - биплан, в котором профильные элементы крыла расположены относительно друг друга с отрицательным выносом, когда каждый верхний профиль смещен по потоку относительно нижнего (см., например, Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных форм. М.: Мир, 1991, с.277, рис.14.29).

Такая компоновка профилей исключает их взаимовлияние и межпрофильные перетекания, так как выравнивающий давление поток направлен против основного потока. Известное устройство имеет малый размах крыла, при котором концевые перетекания значительно снижают подъемную силу. Тем не менее известный летательный аппарат обладает довольно высокими летательными характеристиками, что объясняется безусловно удачной компоновкой крыла. Но очевидно, что крыло известного устройства не оптимизировано по геометрии, размаху, густоте решетки и ее расположению относительно потока. Кроме того, известное устройство не может быть широко использовано в наземных условиях даже при заданном размахе, а увеличение числа профилей при фиксированном положении фронта повлечет рост вертикальных габаритов.

Не удовлетворяют также требованиям универсальности и приведенные в том же источнике различные схемы летающих автомобилей из-за сложности конструкций, большого веса.

Цель изобретения заключается в значительном повышении аэродинамических характеристик решетчатого крыла полиплана и расширении его функциональных возможностей, обеспечении его широкого использования в качестве наземного транспортного средства.

Для оптимизации геометрии решетчатого крыла в части повышения его эффективности достаточно проанализировать аэродинамическую схему и компоновку решеток лопаточных машин нагнетания, например осевых компрессоров, где в лопатках спрямляющих аппаратов и рабочих колес все профили располагаются в потоке с отрицательным выносом. В лопатках рабочих колес такая компоновка и схема обтекания имеют место в относительном движении потока.

Высокая аэродинамическая эффективность лопаточных машин, реализуемая в удельную мощность на воду, свидетельствует о том, что геометрия решетки в них (густота, хорда, кривизна профилей и величина выноса) наиболее оптимальна.

Однако, в ступенях лопаточных машин, повышающих давление воздуха, часть энерго- и теплоперепада передается через лопатки спрямляющего аппарата (СА), а часть - через рабочие лопатки.

СА профилируются и служат в основном для изменения направления потока, его выравнивания и поджатия за счет торможения в диффузорных каналах СА.

На долю СА приходится 30% теплоперепада, остальное - на рабочие колеса, где в основном и происходит сжатие потока.

Высоконапорные характеристики рабочих колес свидетельствуют о том, что каждый профиль его обтекается в условиях максимально возможного значения подъемной силы (C_y ≈ C_ymax для данного вида профиля).

Таким образом, сущность предложенного технического решения в части повышения аэродинамической эффективности решетчатого крыла сводится к переносу или применению в процессе его построения и работы в условиях абсолютного движения потока принципа построения и действия геометрически подобной решетки лопаточной машины нагнетания, например рабочего колеса осевого компрессора, в условиях относительного движения потока при заданных значениях C_y и C_yα подобных профилей.

При этом зависимость параметров решетки и потока определяются известным параметрическим уравнением b/t = где b/t - густота решетки; b - хорда профиля; t - шаг профилей; С_о - осевая скорость, нормальная к фронту; ΔW_└┘ - разность фронтальных проекций скорости потока на входе и выходе из решетки.

Зависимость густоты решетки от коэффициента потерь напора более подробно приведена в источнике Холшевиков К.В. "Теория и расчет авиационных лопаточных машин." М.: Машиностроение, 1970, с.158, рис.5,16.

Как следует из приведенного источника, минимальные потери в решетках рабочих колес имеют место при коэффициенте диффузорности α_D = 0,4.

При этом зависимость параметров решетки в ее рабочем положении обретает вид: α_D = 0,4 = 1 + , где W₁ - относительная скорость входа в рабочее колесо, иначе b/t = = ( ΔW < 0 для рабочих колес).

Таким образом, густота решетки в рабочем положении определяется отношением закрутки потока ((ΔW_└┘)) и относительной скорости (W₁).

Реализация технического решения в этой части заключается в следующем.

Определяются (из проекта или ТЗ на разработку) общий вес полиплана, включая вес полезной нагрузки.

Потребная величина подъемной силы, равная весу, определяется из соотношения: Y = C = C_y S , где C_y - расчетный коэффициент подъемной силы крыла; S - суммарная площадь решетчатого крыла в плане;
V₁ - относительная скорость входа в решетку; в первом приближении V₁ = W₁.

Производится сравнительный анализ аэродинамических характеристик C_yи C_yα профилей рабочих колес реальных двигателей (отечественного или зарубежного производства). Выбираются наиболее высоконапорные профили и их значения C_y и C_yα принимаются к расчету формы и габаритов решетчатого крыла полиплана. Сначала определяют потребную площадь крыла в плане
S = · Суммарная площадь S обеспечивается путем подбора количества профильных элементов и длины последних, обусловленной приемлемой шириной крыла (корпуса и колеи) в наземных условиях.

Что касается абсолютной скорости на входе V₁ (в первом приближении равной W₁), то при окончательном расчете габаритов и формы решетчатого крыла данная скорость может значительно отличаться от исходной V₁ и будет определена из обратно пропорционального соотношения:
= откуда
V₂ = V , где V₁ = W₁ - относительная скорость входа в решетку рабочего колеса, исходная для первичного расчета крыла;
S₁ - первоначальная потребная площадь крыла;
V₂ - реальная скорость на входе в решетку полиплана, достаточная для создания потребной величины подъемной силы;
S₂ - площадь крыла при V₂, полученная в результате оптимизации всех параметров в рамках располагаемых габаритов по длине (размаху) и количеству профильных элементов.

Фактически построенное по изложенному принципу решетчатое крыло полиплана представляет собой лопаточный элемент рабочего колеса с профилем на уровне среднего его диаметра и подобно увеличенный до размеров, обеспечивающих создание потребной величины подъемной силы.

Выбор формы профилей на уровне среднего диаметра колеса обусловлен необходимостью усреднения характеристик по высоте лопатки, так как у корня и периферии они существенно отличаются, что для данных расчетов значения не имеет.

Соотношение S₂/S₁ = (V₁/V₂)² получено из условия равенства подъемной силы Y₂ решетчатого крыла при скорости V₂ подъемной силе Y₁, создаваемой решеткой рабочего колеса при V₁ = W₁.

Таким образом Y₂ = Y₁ = G или C_yS₁ = C_yS₂ .

Отсюда имеем S₂/S₁ = (V₁/V₂)², где S₁ - потребная величина площади решетки при V₁ = W₁ (в описании S₁ обозначена "первоначальной" площадью).

Данное соотношение фактически и представляет собой критерий или коэффициент подобия ϕ = (V₁/V₂)², где V₂ - расчетная скорость полиплана.

Крыло полиплана, построенное с указанным коэффициентом ϕ подобия, обеспечивает необходимую величину подъемной силы полиплана, имеет аэродинамические характеристики исходного рабочего колеса и геометрию, определяемую из соотношений:
B₂/t₂ = B₁/t₁ (равенство густоты решеток)
B₂/B₁ = ϕ (пропорциональность хорд профилей), где B₁ - длина профильной хорды лопатки рабочего колеса;
B₂ - длина профильной хорды решетчатого крыла;
t₁ - шаг решетки рабочего колеса;
t₂ - шаг решетки крыла полиплана.

В реальном рабочем колесе оси лопаток расположены радиально, т.е. в плоскости вращения под углом друг к другу. Поскольку в рабочем колесе фронтальная плоскость совпадает с плоскостью вращения, для подобного построения решетчатого крыла полиплана за основу может быть принята решетка исходного рабочего колеса не в чистом виде, а составленная из профилей сечений на уровне среднего диаметра колеса, а оси лопаток принимаются условно параллельными. Поскольку длина хорды профиля лопатки B₁ задана чертежом, а ширина решетки определена длиной лопатки, площадь последней S₁ в плоскости хорд равна S₁ = B₁h₁, где h₁ - ширина решетки колеса, равная длине лопатки, а площадь всей решетки равна S_1k = B₁h₁n₁, где n₁ - число лопаток.

При подобном увеличении решетки колеса до величины крыла полиплана с площадью S_2n = B₂h₂n₂ размах крыла h₂ может существенно отличаться от приемлемых (реальных) поперечных габаритов устройства, обусловленных компактностью и устойчивостью устройства в наземных условиях.

В этом случае возможно изменение размаха решетчатого крыла с учетом вышеуказанных габаритов и в этой части подобие будет нарушено.

При этом неизбежно также и изменение числа профилей крыла для обеспечения потребной величины подъемной силы и соответствующей площади, которая будет определена из следующих соотношений: S₂ = B₂h₂n₂ = B₂h₂'n₂, откуда n¹₂ = n₁ , где n₂ = n₁;
h₂ - размах крыла из подобного построения;
h₂' - размах крыла, соответствующий поперечным габаритам устройства;
n₂' - число профилей крыла при h₂'.

Однако остальные условия подобия (форма профиля, пропорциональность хорд и равенство густоты решеток) должны соблюдаться.

Далее приведены дополнительные технические меры, направленные на улучшение взлетно-посадочных характеристик и компактности устройства на земле.

Таким образом, цель изобретения достигается тем, что в летательном аппарате - полиплане, содержащем корпус, имеющий форму обтекаемого профиля, с концевыми аэродинамическими гребнями шасси, силовую установку, движитель, хвостовое оперение, включающее два крыла и размещенный между ними поворотный стабилизатор, решетчатое крыло, состоящее из двух килевых стоек с плоско-выпуклым профилем сечения и размещенных между ними с отрицательным выносом профильных элементов, вынос и параметры решетки при заданных значениях C_y и C_yα определены из условия аэродинамического и геометрического подобия решетки крыла полиплана в абсолютном движении и подвижной решетки лопаточной машины, например осевого компрессора, в относительном движении на номинальном режиме, профильные элементы закреплены шарнирно и связаны с приводом их синхронного поворота, килевые стойки крыла закреплены шарнирно и связаны с приводами их шарнирного поворота в вертикальных плоскостях стоек, концевые участки последних выполнены поворотными относительно продольных осей стоек.

На фиг.1 показан полиплан, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, вид спереди; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1.

Полиплан содержит корпус 1, шасси 2, силовую установку 3, движитель 4, хвостовое оперение, включающее кили 5,6 с рулями 7,8 поворота и поворотный стабилизатор 9, решетчатое крыло, состоящее из профильных элементов 10n, где n - число профилей, установленных с отрицательным выносом и закрепленных на шарнирных полуосях 11,12 между двумя килевыми стойками 14,13 (приводы поворота профилей не показаны). Стойки 13,14 также закреплены в корпусе 1 на шарнирных полуосях 15,16 и связаны с приводами 17,18 их шарнирного поворота в вертикальных плоскостях.

Концевые участки 19,20 килевых стоек 13,14 выполнены поворотными относительно продольных осей стоек и служат поверхностями поперечного управления полиплана.

Движитель 4 снабжен кожухом 21, защитной решеткой 22 и спрямляющей поток решеткой 23. В боковых плоскостях корпуса 1 установлены аэродинамические гребни 24,25, исключающие концевые перетекания на корпусе, а на шасси 2 установлены обтекатели 26,27.

Работает универсальный полиплан следующим образом.

В наземных условиях килевые стойки 13,14 убраны и полиплан служит в качестве транспортного средства для передвижения по земле, воде и снежному покрову в зависимости от типа шасси.

Для движения по земле мощность двигателя передается на колеса, по воде - на винт, вмонтированный в герметичный корпус.

При выезде за пределы населенного пункта (города) с помощью приводов 17,18 производится подъем ("выпуск") килевых стоек 13,14, а профильные элементы 10n синхронно устанавливаются в положение взлетного угла атаки, после чего полиплан разгоняется, взлетает и в дальнейшем является летательным аппаратом нетрадиционной формы со всеми необходимыми органами управления.

Благодаря рационально построенной конструктивно силовой схеме, несущие килевые стойки работают в отличие от классического крыла не на изгиб, а на растяжение, что значительно снижает удельный вес конструкции и увеличивает вес полезной нагрузки в сравнении с другими аппаратами подобного типа. Подъемная сила, создаваемая корпусом, тоже может быть значительной, соизмеримой с подъемной силой крыла.

В наземных условиях полиплан является компактным маневренным транспортным устройством, удовлетворяющим также требованиям эстетики и универсальности.

Формула изобретения

1. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОЛИПЛАН, содержащий герметичный корпус, имеющий форму обтекаемого профиля и выполненный с шасси для движения по твердой и водной поверхностям, силовую установку, движитель для создания тяги при полете, кинематически связанный с силовой установкой, хвостовое оперение, включающее в себя два поворотных киля и размещенный между ними поворотный стабилизатор, а также крыло, отличающийся тем, что крыло выполнено решетчатым и представляет собой две шарнирно закрепленные по бокам корпуса в носовой его части килевых стойки с плосковыпуклым профилем сечения и с приводом из поворота в вертикальной плоскости, между которыми с возможностью синхронного поворота от привода управления установлены профильные элементы с отрицательным выносом, при этом концевые участки килевых стоек выполнены поворотными относительно их продольных осей, на боковых поверхностях корпуса выполнены продольные аэродинамические гребни, шасси кинематически связано с силовой установкой, а движитель для создания тяги при полете размещен в хвостовой зоне корпуса и представляет собой кинематически связанный с силовой установкой винт с спрямляющей поток решеткой.

2. Полиплан по п.1, отличающийся тем, что решетка крыла в абсолютном движении выполнена геометрически подобной аэродинамической решетке рабочего колеса лопаточной машины нагнетания в относительном движении с коэффициентом подобия
ϕ = ,
где ϕ - коэффициент подобия;
V₁ - относительная скорость входа в решетку;
V₂ - реальная скорость полиплана.

3. Полиплан по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при расхождении поперечных размеров устройства и размаха крыла, полученного подобным построением, размах и число элементов крыла определяют из соотношений
h₂·n₂ = h¹₂·n¹₂;
n₂ = n₁ ;
n¹₂ = n₁
где n₁ - число лопаток исходного рабочего колеса;
n₂ - число профилей решетчатого крыла;
h₂ - размах крыла из подобного построения;
h¹₂ - размах крыла, соответствующий поперечным габаритам устройства;
n¹₂ - число профилей при размахе h¹₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4