Летательный аппарат типа орнитоптера

 

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с машущими крыльями. Аппарат имеет люльку с кабиной пилота. Привод лопастей расположен в отдельном корпусе, который при помощи шаровой опоры установлен на крыше люльки. Рычаг ручного управления закреплен на корпусе. Привод устройства включает двигатель, к валу которого присоединен коленчатый вал. На коленчатом валу закреплен шатун. В качестве направляющей шатуна используется качающаяся кулиса. На свободном конце шатуна друг напротив друга закреплены два кардана, к которым присоединены силовые элементы лопастей летательного аппарата. Вал ведомой вилки кардана и силовой элемент образуют винтовую пару. Силовой элемент снабжен шаровой опорой, установленной в его серединной части. Шаровая опора имеет упоры, выполненные, например, в форме шайб, закрепленных на силовом элементе по обе стороны от шаровой опоры. Шаровая опора установлена на корпусе в полости, например, при помощи подшипника. Технический результат - улучшение взлетных, полетных и посадочных характеристик летательного аппарата. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к авиации, в частности к летательным аппаратам тяжелее воздуха с машущими крыльями, способным осуществлять вертикальный взлет и поддерживать аппарат в воздухе.

Известны орнитоптеры - летательные аппараты тяжелее воздуха, работа которых основана на принципе полета птиц путем применения грибных движений машущих крыльев [Большой энциклопедический словарь Политехнический. - М.: БРЭ, 1998 г., стр. 351].

В качестве прототипа выбран орнитоптер [А.с. СССР 487808, МКИ В 64 С 33/02, опубл. 20.01.76]. Орнитоптер имеет корпус, внутри которого расположен привод, содержащий двигатель и приводной механизм, обеспечивающий преобразование вращательного движения вала в машущее движение лопасти. Силовой элемент машущей лопасти соединен с коленчатым валом при помощи кардана. На силовом элементе установлена с возможностью перемещения вдоль него сферическая опора. Коленчатый вал при помощи муфты соединен с двигателем через редуктор. Колено коленчатого вала выполнено в виде спрямленного участка цилиндрической спирали. Кардан состоит из втулки, установленной на колене, и прикрепленной к ней втулки, соединенной с вилкой силового элемента крыла. Сферическая опора представляет собой втулку, размещенную в сферической полости, закрепленной на корпусе орнитоптера. Кинематическая схема орнитоптера имеет такую структуру, что при маховом вращении лопасти ее кончик описывает эллиптическую вертикально ориентированную фигуру (большая ось эллипса практически вертикальна). Это приводит к тому, что углы атаки относительно предполагаемого горизонтального движения летательного аппарата при взмахе и опускании лопасти равны между собой. Таким образом, суммарная подъемная сила по полному циклу ≤0.

В основу изобретения поставлена комплексная задача - создание конструкции летательного аппарата тяжелее воздуха (орнитоптера) повышенной маневренности, при движениях лопастей которого создается и поддерживается подъемная сила на всем цикле махового движения. Таким образом, изобретение направлено на улучшение взлетных, полетных и посадочных характеристик летательного аппарата.

Поставленная задача решается тем, что в летательном аппарате, имеющем люльку с местом пилота, движитель, выполненный в виде двух лопастей, привод, включающий двигатель, коленчатый вал и два кардана, каждая из лопастей имеет силовой элемент, закрепленный на отдельном кардане и снабженный шаровой опорой, размещенной на серединной части силового элемента, согласно изобретению привод размещен в отдельном корпусе, который при помощи шаровой опоры закреплен на верхней части люльки, и снабжен рычагом ручного управления, обеспечивающим поворот корпуса относительно люльки, на свободном конце рычага ручного управления установлен пульт управления, привод дополнительно снабжен шатуном, корневой конец которого установлен на шатунной шейке коленчатого вала, на свободном конце шатуна диаметрально противоположно закреплены карданы, шатун снабжен качающейся кулисой, имеющей форму цилиндра и установленной на корпусе привода, вал ведомой вилки кардана образует с силовым элементом винтовую пару, упомянутая шаровая опора, закрепленная на силовом элементе, выполнена с обеспечением возможности взаимодействия с корпусом привода и снабжена упорами, предотвращающими осевое перемещение силового элемента относительно корпуса.

Наилучший вариант достигается, когда главная ось шатунного механизма, включающего шатун, кулису и коленчатый вал, находится под углом α=30-45° по отношению к продольной оси корпуса при его горизонтальном положении.

Более подробно изобретение раскрыто в приведенном ниже примере реализации, который иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - общий вид летательного аппарата, фиг.2 - принципиальная схема привода, фиг.3 - кинематическая схема привода, фиг.4 - траектория, описываемая концом лопасти и поворот лопасти относительно оси силового элемента (показано поперечное сечение) при маховом цикле движения лопасти в начальный момент взлета (V_ЛА=0).

Летательный аппарат имеет люльку 1 с кабиной пилота. Люлька может иметь каркасную конструкцию, облицованную легким и прочным листовым материалом. Движителем летательного аппарата служат две лопасти 2, приводимые в движение при помощи привода. Привод расположен в отдельном корпусе 3, который установлен при помощи шаровой опоры 4, размещенной на крыше люльки 1. Рычаг 5 ручного управления закреплен на корпусе 3. На свободном конце рычага 5 установлен пульт управления летательным аппаратом.

Привод устройства включает двигатель 6, снабженный при необходимости редуктором. К валу двигателя (редуктора) присоединен коленчатый вал 7, на шатунной шейке которого закреплен корневой конец шатуна 8. В качестве направляющей шатуна 8 используется качающаяся кулиса 9, имеющая направляющее отверстие и установленная на корпусе, например, при помощи подшипников с обеспечение возможности свободного поворота.

На свободном конце шатуна 8 закреплены два кардана так, что их ведущие вилки 10 расположены друг напротив друга (на одном уровне и диаметрально противоположно). Карданы предназначены для присоединения к силовым элементам 11 (лонжеронам) лопастей летательного аппарата. При этом каждая лопасть 2 имеет по одному силовому элементу 11, а соответственно один кардан присоединяется к одному силовому элементу 11. Вал 12 ведомой вилки 13 кардана и силовой элемент 11 образуют винтовую пару. Для этого на конце вала 12 выполнен дугообразный винтовой выступ, а на конце полого силового элемента, на его внутренней поверхности, выполнена соответствующая ответная направляющая канавка. Винтовая пара может быть выполнена иным образом, например на поверхности вала 12 ведомой вилки 13 выполнена дугообразная канавка, а на поверхности силового элемента - соответствующий винтовой выступ.

Силовой элемент 11 снабжен шаровой опорой 14, установленной в его серединной части (то есть в части, достаточно удаленной как от места закрепления на кардане, так и от конца крыла). Шаровая опора 14 имеет упоры 15, выполненные, например, в форме шайб, закрепленных на силовом элементе по обе стороны от шаровой опоры 14. Шаровая опора 14 установлена на корпусе 3 в полости 16, например, при помощи подшипника.

Устройство работает следующим образом. Вращение вала двигателя 6, например, через редуктор передается коленчатому валу 7, который придает возвратно-поступательное движение шатуну 8. Кулиса 9 служит направляющей и обеспечивает поворот шатуна 8 вокруг центра ₂. Движение передается кардану. Вал 12 ведомой вилки кардана воздействует на силовой элемент 11, что обеспечивает машущее движение крыльев. При этом упоры 15 на шаровой опоре 14 препятствуют продольному перемещению силового элемента, поскольку расположенные с обеих сторон шаровой опоры, они упираются в корпус 3. Это, а также наличие упомянутой винтовой пары (ведомая вилка кардана - силовой элемент) и наличие шаровой опоры 14, позволяет преобразовать возвратно-поступательное движение шатуна в угловое перемещение силового элемента (поворот вокруг продольной оси). Таким образом, крыло совершает сложное движение: одновременно с машущим движением осуществляется поворот лопасти крыла, а следовательно, производится изменение угла атаки. Во время полета пилот управляет движением летательного аппарата путем воздействия на рычаг 5 ручного управления, а также при помощи пульта, закрепленного на конце рычага. Мускульное воздействие на рычаг 5 позволяет изменять пространственную ориентацию корпуса 3 относительно люльки 1 за счет их шарнирного (шаровая опора 4) соединения. Опускание/поднимание передней части корпуса, наклоны в сторону, повороты корпуса, а следовательно, лопастей, позволяют осуществлять маневрирование летательного аппарата. Расположенные на пульте кнопки управления позволяют включать/выключать двигатель, регулировать число его оборотов, а следовательно, частоту махов крыльев.

Пунктиром на фиг.3 обозначена кривая, которую описывает свободный конец шатуна. Эта геометрическая фигура представляет собой эллипс с наклонной к горизонту большой осью (в отличие от прототипа, в эллиптической фигуре которого большая ось вертикальна). Согласно описанной рычажной конструкции фигура, которую описывает свободный конец силового элемента - кончик лопасти (см. пунктир на фиг.4), подобна фигуре, которую описывает свободный конец шатуна, и также является эллипсом с наклонной большой осью (сравн. пунктирные линии на фиг.3, 4). Главная ось (О₁-О₂-О₃) шатунного механизма (шатун - кулиса - коленчатый вал) находится под углом α=30-45° по отношению к продольной оси корпуса при его горизонтальном положении. Угол α определяет угол наклона большой оси эллипса. Его величина выбрана оптимальной, исходя из определения начальных условий взлета.

Как указано выше, лопасть совершает одновременно с маховыми движениями угловое перемещение, т.е. поворот вокруг продольной оси силового элемента. Конфигурация взаимодействующих элементов винтовой пары определяет “закон” изменения указанного угла поворота лопасти при ее маховых движениях и выбирается экспериментальным путем. Представленную на фиг.4 траекторию можно условно разбить на этапы маха. В нижней точке эллипса лопасть находится в положении, близком к горизонтальному. При взмахе вверх лопасть изменяет угол поворота: поперечное сечение находится в положении, близком к вертикальному. Это обеспечивает при взмахе положительное значение вектора R результирующей подъемной силы, который является суммой вектора Y подъемной сила и вектора Х силы сопротивления. При приближении к верхней точке эллипса лопасть возвращается в положение, близкое к горизонтальному. После прохождения верхней точки эллипса при опускании лопасти ее угол поворота несколько увеличивается, что также обеспечивает положительное значение вектора R результирующей подъемной силы. При совершении маховых круговых (точнее эллиптических) движений лопасть, таким образом, поворачивается вокруг силового элемента 11, что обеспечивает поддержание положительного значения вектора R как на этапах подъема лопасти, так и на этапах ее опускания. Выполнение корпуса 3 подвижным относительно люльки (наличие шаровой опоры 4) обеспечивает возможность маневрирования в зависимости от характера движения летательного аппарата (подъем, опускание, поворот и т.д.) и от направления и скорости воздушных потоков.

Формула изобретения

1. Летательный аппарат, имеющий люльку с местом пилота, движитель, выполненный в виде двух лопастей, привод, включающий двигатель, коленчатый вал и два кардана, каждая из лопастей имеет силовой элемент, закрепленный на отдельном кардане и снабженный шаровой опорой, размещенной на серединной части силового элемента, отличающийся тем, что привод размещен в отдельном корпусе, который при помощи шаровой опоры закреплен на верхней части люльки, и снабжен рычагом ручного управления, обеспечивающим поворот корпуса относительно люльки, на свободном конце рычага ручного управления установлен пульт управления, привод дополнительно снабжен шатуном, корневой конец которого установлен на шатунной шейке коленчатого вала, на свободном конце шатуна диаметрально противоположно закреплены карданы, шатун снабжен качающейся кулисой, имеющей форму цилиндра и установленной на корпусе привода, вал ведомой вилки кардана образует с силовым элементом винтовую пару, упомянутая шаровая опора, закрепленная на силовом элементе, выполнена с обеспечением возможности взаимодействия с корпусом привода и снабжена упорами, предотвращающими осевое перемещение силового элемента относительно корпуса.

2. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что главная ось шатунного механизма, включающего шатун, кулису и коленчатый вал, находится под углом α=30-45° к продольной оси корпуса при его горизонтальном положении.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4