Многофункциональный высокоманевренный летательный аппарат, взлетающий под любым углом к поверхности взлета
Изобретение относится к авиационной технике. Летательный аппарат содержит корпус торообразной формы (1), грузовые отсеки, силовую установку, переднюю и заднюю кабины экипажа, систему управления и органы приземления (18, 19). Корпус выполнен с радиальными нишами. В нишах размещены поворотные устройства, каждое из которых выполнено в виде кольца с установленной на нем поворотной платформой (4) с двигателем (5) и плоскостью-крылом (27) с возможностью поворота платформ при нагнетании воздуха между нишей корпуса и плоскостями кольца. Изобретение улучшает аэродинамику летательного аппарата. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, содержит ряд принципиально новых технических решений и может быть использовано при проектировании и отработке различных летательных аппаратов.
Предлагаемый летательный аппарат предназначен для решения широкого крута задач народнохозяйственного, научного и военного значений.
В настоящее время известно большое число различных схемных и конструктивных решений, используемых при создании летательных аппаратов, однако всем им присуща определенная и узкая целенаправленность. Все они как правило предназначены для выполнения каких-то определенных функций, решения конкретных задач в определенных условиях. Отсутствие возможности широкого их использования для разных целей в различных условиях влечет за собой неоправданно большие затраты на разработку и создание разнообразных летательных аппаратов. Кроме того, из-за ограниченного времени целевого использования аппаратов не обеспечивается их окупаемость, усложняется эксплуатация и техническое обслуживание, не обеспечивается установленный уровень надежности и безопасности. Этот летательный аппарат не относится к широко известным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки классических традиционных схем, то есть к самолетам вертикального взлета и посадки и вертолетам, которые в настоящее время достигли высокого технического совершенства и находят широкое применение в различных областях деятельности людей.
Известно применение вертолетов в народном хозяйстве /см. И.И.Бирюлин. Вертолеты в народном хозяйстве. Изд-во «Транспорт», 1969 г./ для строительно-монтажных работ и в некоторых отраслях промышленности, что имеет ряд недостатков: не оборудованы устройством, обеспечивающим визуальное наблюдение пилотом груза на внешней подвеске; не оборудованы замком в нижней части внешней подвески, вследствие чего на многих видах работ после установки груза требуется сбрасывать тросы.
Известны, например, различные типы самолетов вертикального взлета и посадки от боевых высокоскоростных самолетов-истребителей /см. В.Ф.Павленко. Самолеты вертикального взлета и посадки. Воениздат МО СССР, М., 1966 г., стр.54-72/ до транспортных тихоходных самолетов, предназначенных для перемещения по воздуху различных грузов в отсеках самолета или на внешней подвеске /см. там же/.
Известны различные типы вертолетов /см. Ю.С.Богданов и др. Конструкция вертолетов, М., Машиностроение, 1990 г., стр.3-13/. Вместе с тем существует много технических проектов и реально эксплуатируемых летательных аппаратов нетрадиционных схем типа дископланов, «летающих тарелок», летающих платформ и пр., которые не нашли широкого применения из-за присущих им упомянутых выше недостатков.
Известно, что для обеспечения вертикального взлета и посадки аппарата необходимо с помощью его силовой установки создать вертикальную составляющую тяги, равную или несколько большую массы летательного аппарата, то есть тяговооруженность летательного аппарата /отношение суммарной тяги его силовой установки к массе аппарата/ должна быть равна единице /100%/ или несколько больше единицы /больше 100%/.
Для самолетов обычных традиционных схем силовая установка нужна для создания силы тяга, обеспечивающей поступательное его движение, а подъемная сила создается несущей поверхностью-крылом. В данном случае корпус выполняет функций крыла. Эта сила пропорциональна квадрату скорости полета и в горизонтальном полете равна массе самолета.
Тяговооруженность обычных самолетов может быть существенно меньше единицы и составлять всего 20-40 процентов. Так как тяга двигателей пропорциональна расходу топлива, то совершенно очевидно, что повышение тяговооруженности, то есть создание летательного аппарата вертикального взлета и посадки, неизбежно связано со снижением грузоподъемности и транспортных возможностей самолета. Это вызывает необходимость поиска путей создания новых летательных аппаратов, повышения их грузоподъемности и экономичности. Одним из таких путей является совершенствование существующих летательных аппаратов путем снижения их массы за счет применения легких композиционных материалов, выбора оптимальных конструктивных схем, применения новых экономичных двигателей.
Другим путем является разработка новых нетрадиционных схем и конструкций с использованием уже известных положительных свойств летательных аппаратов тяжелее воздуха и свойств летательных аппаратов легче воздуха. Известен, например, дискообразный летательный аппарат вертикального взлета и посадки /см. Патент США №3614030, кл. В64О 27/02, 1969 г./, содержащий большое количество двигателей, установленных в колодцах по периферии дискообразного корпуса, обеспечивающих взлет, посадку и горизонтальный полет аппарата. Однако известный летательный аппарат отличается низкой маневренностью, малой грузоподъемностью, трудностью в пилотирования, что ограничивает возможности его использования. Кроме того, известный аппарат не позволяет поднимать и перевозить крупногабаритные грузы в вертикальном их положении, например ракеты, мачты линии электропередач, трубы и пр. Пилотирование такого аппарата затруднено из-за ограниченности управляющих усилий, создаваемых отклонением газовых струй за двигателями.
Известен комбинированный летательный аппарат (см. Патент СССР №1496630 A3, кл. В64С 29/00, 39/06, 1989 г.), содержащий корпус круглой формы, встроенный в корпус нагнетатель, установленный снизу корпуса, горизонтальное и вертикальное оперение, расположенное впереди под корпусом, сзади, сверху, снизу и по бокам корпуса.
Недостатком является наличие большого числа выступающих частей, создающих сопротивление даже на небольших скоростях полета.
Известен также летательный аппарат легче воздуха /см. Авт. св. СССР №687728, кл. В64В 1/58, 1976 г./, снабженный по периферии двигателями с управляемыми соплами и центральным грузовым отсеком, обеспечивающим подъем и транспортировку крупногабаритных грузов в вертикальном положении. Недостатками известного летательного аппарата являются ограниченная грузоподъемность и низкая маневренность. Из-за большой парусности и слабых управляющих усилий трудность пилотирования и ограниченность применения.
Известен торообразный летательный аппарат тяжелее воздуха с винтовым движителем, расположенным в центре /см. Патент США №5152478, кл. В64С 29/00, 1990 г./. Аппарату присущи те же недостатки: низкая маневренность, невысокая и ограниченная грузоподъемность, сложность пилотирования и неудобство эксплуатации. Центральная часть тора занята несущим винтом и не может быть использована для размещения грузов.
Известен летательный аппарат легче воздуха, выполненный в виде кольцевого крыла, в корпусе которого размещены несколько турбопрямоточных двигателей, снабженных несущими винтами /см. Патент РФ №20701143, кл. В64С 39/06, 1996 г./. В полостях крыла известного летательного аппарата размещены топливные емкости, грузовые и пассажирские отсеки, кабина пилотов и другие устройства. Центральное пространство кольцевого крыла может использоваться для размещения крупногабаритных грузов в вертикальном положении, например ракет. Однако горизонтальный полет такого аппарата с вертикальным грузам в момент старта осуществляется при его горизонтальном положении, что неизбежно ведет к усложнению системы крепления груза, нарушению вантовой подвески, вызывает необходимость применения форменных элементов крепления, а значит к существенному увеличению общей массы и ограничению грузоподъемности. Управление таким аппаратом осуществляется за счет изменения тяги двигателей, что затрудняет пилотирование и снижает маневренность.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является многофункциональный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (см. Патент РФ №2127693 С1, кл. 6 В64С, 29/00). Летательный аппарат представляет собой торообразное тело, содержащее грузовые отсеки, кабины экипажа, силовую установку с энергоблоками, радиальные ниши, органы управления и органы приземления. Недостатком известного летательного аппарата является то, что платформы с двигателями, расположенные вне корпуса летательного аппарата, создают значительное сопротивление на высоких скоростях полета.
Целью настоящего изобретения является создание принципиально нового комбинированного высокоманевренного летательного аппарата с широким спектром возможностей его применения, высокой эффективностью и эксплуатационной технологичностью.
В отличие от прототипа конструктивно летательный аппарат отличается тем, что состоит из жесткого торообразного корпуса, в радикальных проемах которого закреплены шесть поворотных устройств в виде колец, вместо цилиндра, который ограничивает пространство, с установленными на них поворотными платформами с 1 двигателем, имеющим изменяющий вектор тяги, или с двумя обычными реактивными двигателями, или турбореактивными. Над двигателями установлена плоскость, которая может выполнять или функцию крыла, или стабилизатора, или рулевой плоскости, в зависимости от положения двигателей относительно корпуса летательного аппарата. Убрав цилиндры и заменив их на устройства в виде колец в корпусе летательного аппарата, освобождается место для свободного прохода по всему коридору и место для размещения груза или пассажиров, или заполнения полости газом для других моделей с иным назначением. Поворотная платформа может вращаться в любую сторону вокруг своей оси и в любую сторону передвигается по нишам устройства в виде кольца, и двигатель с плоскостью над ним будет выполнять функцию маршевого двигателя, а плоскость будет выполнять функции крыла, в другом случае двигатель будет выполнять функцию рулевого двигателя, а плоскость функцию рулевой плоскости. При взлете в ограниченном пространстве все двигатели устанавливаются вертикально (см. схема №1б) и становятся тяговыми двигателями, а плоскость крыла становится стабилизатором. Внутреннее пространство тоже может использоваться для размещения вертикальных крупногабаритных грузов или пассажирского салона, или же для размещения воды, которая заполняет внутреннее пространство тора в момент касания водной поверхности (см. схема №5) через частично открытую сторону люка. В этом случае центральная полость тора герметично закрывается верхней и нижней несущими поверхностями, что улучшает аэродинамику летательного апарата (верхняя несущая поверхность слегка выпукла, нижняя слегка вогнута), уменьшает расход топлива и увеличивает дальность полета. Если летательный аппарат используется для подъема и перемещения грузов на небольшие расстояния или для выполнения крановых, монтажных работ, его верхняя и нижняя поверхность, состоящая из сегментов, раскрывается, поднимая плоскости сегментов вертикально, тем самым уменьшая сопротивление, или снимается полностью и центральное пространство тора используется для крупногабаритных грузов. Летательный аппарат снабжен двумя пилотскими кабинами и органами приземления (шасси, телескопическими стойками, или салазками). Пилотские кабины идентичны, снабжены дублированными системами управления, что обеспечивает управление из одной кабины и корректировку с другой. Этим обеспечивается точность приземления, облегчается прием и выгрузка грузов, перевозимых на внешней подвеске и внутри тора в вертикальном положении, обеспечивается контроль за всеми операциями экипажа в полете и за положением аппарата в пространстве. Система управления включает гиростабилизированную платформу, обеспечивающую стабилизацию летательного аппарата в воздухе, автоматическое управление элементами силовой установки и режимами полета аппарата. Автоматически управляемые органы приземления, выполненные в виде телескопических опорных штанг, обеспечивают плавную посадку аппарата не только на горизонтальную, но и наклонную до 30-40° поверхности, а герметичный корпус тора при убранных органах приземления позволяет осуществлять посадку на воду, что особенно важно при использовании аппарата в пожарном варианте.
Техническая сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 (а, б) - конструктивная схема летательного аппарата в стояночном положении, вид спереди, а) при подготовке к горизонтальному взлету, б) при вертикальном взлете.
на фиг.2 - то же, вид сверху, половина верхней несущей поверхности снята;
на фиг.3 - торообразный корпус летательного аппарата без поворотных энергоблоков, вид сверху, верхняя несущая поверхность условно снята;
на фиг.4 - вид по А-А на фиг.3;
на фиг.5 - вид по В-В на фиг.3;
на фиг.6 - вид по Б-Б на фиг.3;
на фиг.7 - летательный аппарат с вертикальным грузом в стояночном положении, подготовленный для вертикального взлета;
на фиг.8 - летательный аппарат с грузом на внешней /вантовой/ подвеске в полете.
Изображенный на упомянутых выше фигурах многофункциональный высокоманевренный летательный аппарат, способный взлетать под любым углом, включает жесткий облегченный торообразный корпус 1 с радиальными проемами /нишами/ 2, с поворотными устройствами 23, с поворотными относительно радиусов платформами 4, на каждой из которых закреплен один реактивный двигатель 5 с поворотными соплами и плоскостью 27 над двигателем посередке платформы. Поворотная плоскость в одном случае, если двигатель вышел из строя или по какой-то причине нельзя изменить вектор тяги, в других случаях 60% работает как крыло и = 20-30% как стабилизатор. Корпус летательного аппарата снабжен съемными верхней 6 выпуклой и нижней 7 вогнутой несущими поверхностями, герметично закрывающими при необходимости внутреннее пространство торообразного корпуса. В нижней поверхности имеется люк 24 для забора воды в момент касания поверхности воды при полете, створки которого автоматически закрываются после заполнения внутреннего пространства тора водой. Полости торообразного корпуса 1, образовавшиеся между нишами 2, использованы для устройства грузовых отсеков 8, передней 9 и задней 10 пилотских кабин и такелажного оборудования. Грузовые отсеки снабжены легкосъемными полами 11 и откидными люками 12 с грузовыми рампами 13. В центральном пространстве тора установлена цилиндрическая шахта 14, включенная в силовую систему корпуса аппарата и обеспечивающая вантовую подвеску грузов. Для этого на стенках шахты имеются крепежные устройства 15, обеспечивающие жесткую /см. фиг.7/ и вантовую наружную /см. фиг.8/ подвески и автоматический сброс грузов.
Внутреннее пространство между тором 1 и стенками цилиндрической шахты 14 использовано для размещения кольцевых силовых элементов конструкции, силовых отсеков 16 и 17 и кольцевого канала 26, обеспечивающего сообщение между передней 9 и задней 10 пилотскими кабинами, а также свободный доступ к элементам различных систем, расположенным в силовых отсеках 16 и 17. В этих отсеках размещается также оборудование и устройства для торможения и фиксации поворотных энергоблоков 3. В силовых отсеках 16 и 17 размещены также передняя 18 и задняя 19 выдвижные телескопические штанги - органы приземления. Снаружи верхнего силового отсека 16 расположен кольцевой силовой элемент 20, обеспечивающий также установку и фиксацию верхней несущей поверхности 6. К силовым стенкам радиальных ниш крепится поворотное устройство 23.
Длина телескопических штанг 18 и 19 при выдвижении автоматически фиксируется при встрече с препятствием, что обеспечивает посадку аппарата на наклонную поверхность.
Работа аппарата в основном сводится к подъему и транспортировке по воздуху различных грузов 21, 22. При этом могут иметь место различные варианты его загрузки и различные варианты использования. Если необходимо перевезти малогабаритные грузы на большое расстояние, то грузовые отсеки тора заполняются грузами, устанавливаются верхняя 6 и нижняя 7 несущие поверхности и летательный аппарат способен перевозить в этом варианте груз на максимальное расстояние. При необходимости перевозить большие грузы на небольшое расстояние, например перевозка ракет, все грузовые отсеки тора освобождаются.
При тушении крупных пожаров предлагаемый летательный аппарат может быть использован в двух вариантах: транспортировка контейнеров с водой на вантовой подвеске или же транспортировка воды во внутреннем пространстве тора, которое заполняется в момент касания водной поверхности при полете.
Преобразование летательного аппарата из варианта в вариант производится силами эксплуатирующих подразделений с использованием штатного оборудования и инструмента.
Могут быть и другие в зависимости от ситуации варианты применения и использования летательного аппарата, когда требуется большая подъемная сила, высокая маневренность в полете с грузом, безаэродромное базирование и работа на неподготовленных площадках.
Абсолютные размеры аппарата будут определяться его силовыми возможностями, суммарной тягой двигателей и потребными массами грузов.
1. Многофункциональный летательный аппарат, взлетающий под любым углом к поверхности взлета, содержащий корпус торообразной формы, грузовые отсеки, силовую установку, переднюю и заднюю кабины экипажа, систему управления и органы приземления, отличающийся тем, что корпус выполнен с радиальными нишами, аппарат снабжен размещенными в указанных нишах поворотными устройствами, каждое из которых выполнено в виде кольца с установленной на нем поворотной платформой с двигателем и плоскостью-крылом с возможностью поворота платформ при нагнетании воздуха между нишей корпуса и плоскостями кольца.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен верхней выпуклой и нижней вогнутой несущими поверхностями, закрывающими центральную полость, расположенную внутри тора.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что поворотные платформы выполнены с возможностью перемещения на воздушной подушке в нише кольца и вместе с кольцом - в нишах корпуса.
4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что двигатели представляют собой двигатели с изменяющимся вектором тяги или реактивные двигатели, или турбореактивные двигатели.
5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть корпуса выполнена герметичной для посадки на воду и снабжена люками для забора воды.
6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждое плоскость-крыло расположено посредине соответствующей поворотной платформы и предназначено для выполнения нескольких функций в зависимости от расположения поворотной платформы относительно корпуса.
