Вертолет
Изобретение относится к области вертолетостроения и может использоваться в качестве легкого летательного аппарата с безопасным вертикальным взлетом и посадкой. Вертолет содержит несущую раму, на которой закреплены шасси, стабилизационный руль с тягами, кабина и топливный бак, силовую установку и два соосных несущих винта, вращающихся в противоположные стороны. Силовая установка выполнена в виде моторной рамы и звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров и двумя выходными валами отбора мощности, расположенными соосно и с противоположных сторон двигателя с возможностью их вращения в противоположные стороны. Двигатель с несущими винтами установлен внутри моторной рамы. Сам двигатель размещен между несущими винтами, а последние выполнены с постоянным шагом. Моторная рама соединена с несущей рамой шарнирной траверсой, установленной соосно оси валов отбора мощности, и телескопической стойкой, расположенной за кабиной на периферийной части моторной рамы, при этом между телескопической стойкой и кабиной расположен топливный бак, а за телескопической стойкой расположен стабилизационный руль. Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение КПД и экономичности энергетической установки при снижении металлоемкости вертолета, снижение веса и габаритов вертолета, а также упрощение его управляемости. 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области вертолетостроения и может использоваться в качестве легкого летательного аппарата с безопасным вертикальным взлетом и посадкой как в пилотируемом, так и беспилотном варианте.
Известен легкий вертолет, содержащий несущую раму, на которой жестко установлены двигатель с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами (см. патент US 5370341, кл. В64С 27/00, 06.12.1994).
Данный вертолет имеет малый вес. Однако его использование и особенно управление требует от пилота значительных физических усилий, поскольку направление полета зависит от расположения тела пилота относительно центра тяжести вертолета и любое неосторожное движение может привести к резкому изменению направления полета.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вертолет, содержащий несущую раму, на которой на шарнире установлен двигатель с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами (см. авторское свидетельство SU 1819809, кл. В64С 27/04, 07.06.1993).
Использование двух соосных несущих винтов, расположенных один над другим, требует использования редуктора и трансмиссии для передачи вращения от вала отбора мощности двигателя к несущим винтам, что усложняет конструкцию вертолета, утяжеляет ее и приводит к смещению центра тяжести относительно оси вращения несущих винтов, сказывающемуся на легкости управления вертолетом.
Технической задачей является увеличение КПД и экономичности энергетической установки при снижении металлоемкости вертолета.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является снижение веса и габаритов вертолета, а также упрощение его управляемости.
Указанный технический результат достигается за счет того, что вертолет содержит несущую раму, на которой закреплены шасси, стабилизационный руль с тягами, кабина и топливный бак, силовую установку и два соосных несущих винта, вращающихся в противоположные стороны, при этом силовая установка выполнена в виде моторной рамы и звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров и двумя выходными валами отбора мощности, расположенными соосно и с противоположных сторон двигателя с возможностью их вращения в противоположные стороны, причем двигатель с несущими винтами установлен внутри моторной рамы, сам двигатель размещен между несущими винтами, последние выполнены с постоянным шагом, моторная рама соединена с несущей рамой шарнирной траверсой, установленной соосно оси валов отбора мощности, и телескопической стойкой, расположенной за кабиной на периферийной части моторной рамы, при этом между телескопической стойкой и кабиной расположен топливный бак, а за телескопической стойкой - стабилизационный руль.
В ходе проведенного исследования было установлено, что установка двигателя с несущими винтами в моторной раме дает возможность разместить двигатель между несущими винтами, что в сочетании с использованием качеств двигателя вертолета звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров (дискообразный двухтактный роторно-поршневой двигатель) и двумя выходными валами отбора мощности, выходные участки которых расположены соосно и с противоположных сторон двигателя с вращением валов отбора мощности в противоположные стороны, позволяет вращать два винта в разные стороны с одинаковой угловой скоростью, что позволяет проектировать летательные аппараты по соосной схеме без применения главного редуктора и колонки с расположением несущих винтов непосредственно на валах отбора мощности.
За счет указанных выше преимуществ существенно снижается вес летательного аппарата и повышается вес полезной нагрузки. Дискообразный двигатель, вращаясь в плоскости, создает мощный гироскопический эффект, что позволяет удерживать летательный аппарат в заданной плоскости. Моторная рама, по существу, позволила создать силовую установку, которую легко и удобно установить, как единый блок на шарнире, что, в свою очередь, позволило создать простую систему управления вертолетом путем изменения положения силовой установки относительно несущей рамы.
Принципиальное значение для вертолета соосной схемы имеет расстояние между плоскостями вращения верхнего и нижнего винтов. Увеличение расстояния между винтами утяжеляет и усложняет конструкцию колонки, ухудшает устойчивость движения вертолета по земле. Уменьшение же этого расстояния вызывает опасность схлестывания противоположно вращающихся лопастей верхнего и нижнего винтов. Поэтому добиваются рационального компромиссного решения, при этом практически расстояние между винтами составляет около 10% их диаметра.
При такой компоновке несущей системы верхний винт засасывает воздух и создает струю, отбрасываемую на нижний винт, несколько ухудшая условия обтекания лопастей последнего. Тем не менее суммарная сила тяги соосной несущей системы лишь ненамного меньше суммы сил тяги двух этих же изолированных винтов, причем сила тяги и потребная мощность распределяются между верхним и нижним винтами почти поровну. Основной недостаток соосной схемы - сложность конструкции колонки несущих винтов.
У вертолета соосной схемы рулевой винт в принципе отсутствует, однако конструкция системы двух несущих винтов достаточно сложна, так как требует специальной втулки. Ведь втулка должна обеспечить вращение двух разнесенных по высоте винтов в противоположные стороны с одинаковой частотой, что и представляет основную трудность. Конструктивно это осуществляют следующим образом: вал верхнего винта проходит внутри полого вала нижнего, а синхронизация вращения винтов в противоположные стороны обеспечивается главным редуктором. Втулки и автоматы перекоса верхнего и нижнего несущих винтов, механизмы общего и дифференциального шага объединены в так называемую колонку - наиболее сложный механический агрегат соосного вертолета.
Исключение схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов в любых условиях полета обеспечено главным образом разносом плоскостей вращения винтов на расстояние около 10% их диаметра. При этом, однако, как уже отмечалось ранее, высокая колонка и увеличенная площадь несущей системы ограничивают максимальную скорость полета вертолета из-за вредного лобового сопротивления, а высокое расположение центра масс ухудшает устойчивость вертолета на земле. При обычной конструкции соосной несущей системы преодолеть этот недостаток практически невозможно.
Описываемый вертолет соосной схемы дает возможность использовать винты с жесткими, относительно короткими лопастями, жестко закрепленными на втулке, как лопасти воздушных винтов самолетов и гребных винтов кораблей. Это позволяет устанавливать несущие винты с расстоянием между лопастями по вертикали, составляющим всего лишь от 6 до 7% от диаметра винта. Благодаря такой конструкции высота, площадь и лобовое сопротивление вертолета значительно меньше, чем у обычных соосных вертолетов, меньше и аэродинамическое взаимовлияние винтов, срыв потока с отстающих лопастей одного винта компенсируется повышенной аэродинамической нагрузкой опережающих лопастей другого винта на том же азимуте. Как следствие, у вертолета удалось уменьшить размер как по высоте, так и по длине, что качественно влияет на полетные качества и расширяет области его применения. Благодаря небольшим размерам и весу вертолет не нуждается ни в каких взлетнопосадочных площадках, прост в управлении и не требует специальных навыков пилотирования. Экспериментальные вертолеты, созданные по этому принципу, демонстрируют замечательные летные качества: максимальную скорость свыше 400 км/ч, потолок полета более 7000 м, скороподъемность свыше 20 м/с, хорошую управляемость и маневренность, сравнительно низкий уровень вибраций конструкции.
На фиг.1 схематически представлен вид сбоку на вертолет, на фиг.2 представлен один из вариантов выполнения моторной рамы и на фиг.3 - внешний вид моторной рамы.
Вертолет содержит несущую раму 1, на которой на шарнире 2 (шарнирная траверса), установленном соосно оси валов отбора мощности, установлен двигатель 3 с соосными вращающимися в противоположные стороны несущими винтами 4. Двигатель 3 с несущими винтами 4 установлен внутри моторной рамы 5. Двигатель 3 размещен между несущими винтами 4. В качестве двигателя 3 использован звездообразный двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением и вращающимся блоком цилиндров, выполненный с двумя выходными валами 6 и 7 отбора мощности, выходные участки которых расположены соосно и с противоположных сторон двигателя 3 с вращением валов отбора мощности в противоположные стороны и с компенсацией крутящего момента. Несущие винты 4 выполнены с постоянным шагом.
Моторная рама 5 с двигателем 3 и несущими винтами 4 соединена с несущей рамой 1 в двух точках, а именно посредством шарнира 2 по центру и телескопической стойкой 8 в задней части несущей рамы 1. Моторная рама 5 может быть в плоскости вращения винтов 4, может быть круглой (см. фиг.2), в виде сектора или полукруга (на чертеже не представлены).
Шарнир 2 и телескопическая стойка 8 обеспечивают угол наклона двигателя 3 с несущими винтами 4 в плоскости для обеспечения горизонтального полета и с требуемой продольной скоростью полета.
Несущая рама 1 может быть выполнена из легких трубчатых конструкций и может использоваться как пилотская кабина для управляемого пилотом вертолета, а также для размещения на ней полезной нагрузки беспилотного вертолета. Возможно выполнение вертолета с кабиной обтекаемой формы.
За кабиной пилота может находиться компрессор (не показан) для нагнетания воздуха в двигатель 3. Воздух от компрессора в этом случае подается в двигатель 3 по трубопроводам, расположенным по конструкции несущей рамы 1 и моторной рамы 5. Подача топлива осуществляется электрическим насосом из бензобака (не показаны), которые можно расположить за пилотской кабиной. Аккумулятор и пусковое устройство так же могут быть размещены за пилотской кабиной. В задней части несущей рамы 1 за телескопической стойкой 8 установлен стабилизационный руль 9, привод которого осуществляется при помощи тросовых тяг. Несущая рама 1 может иметь три точки опоры: переднее колесо 10 с независимым углом поворота и два задних колеса 11, имеющих общую ось с амортизаторами. Несущая рама 1 может быть выполнена с опорой без колес.
Моторная рама 5 может быть выполнена из трубчатых элементов круглой, квадратной, сегментной, Г и П-образной формы, при этом моторная рама 5 состоит из двух, расположенных одно над другим оснований 13 (круглых, полукруглых или в виде сектора), соединенных между собой по периметру стойками 14, а двигатель 3 с несущими винтами 4 установлен внутри моторной рамы 5 посредством спиц 15.
Использование вертолета заключается в запуске двигателя 3 и управлении вертолетом путем изменения угла наклона двигателя 3 с несущими винтами 4 относительно несущей рамы 1, например, с помощью ручки управления 12.
Простой в изготовлении и эксплуатации вертолет может найти применение как индивидуальный вид транспорта в условиях бездорожья. Они могут стать основой для привлечения молодежи к авиационному спорту наравне с моторными дельтапланами.
Вертолет, содержащий несущую раму, на которой закреплены шасси, стабилизационный руль с тягами, кабина и топливный бак, силовую установку и два соосных несущих винта, вращающихся в противоположные стороны, отличающийся тем, что силовая установка выполнена в виде моторной рамы и звездообразного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, вращающимся блоком цилиндров и двумя выходными валами отбора мощности, расположенными соосно и с противоположных сторон двигателя с возможностью их вращения в противоположные стороны, причем двигатель с несущими винтами установлен внутри моторной рамы, сам двигатель размещен между несущими винтами, последние выполнены с постоянным шагом, моторная рама соединена с несущей рамой шарнирной траверсой, установленной соосно оси валов отбора мощности, и телескопической стойкой, расположенной за кабиной на периферийной части моторной рамы, при этом между телескопической стойкой и кабиной расположен топливный бак, а за телескопической стойкой - стабилизационный руль.
