Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки, а также летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий указанную силовую установку

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям силовых установок летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки состоит из вертикально-ориентированного и горизонтально-ориентированного двигателей. Кольцевая камера сгорания вертикально-ориентированного двигателя размещается в вертикальном положении. Внутри нее проходит вал турбины. Турбина размещается в вертикальном положении под камерой сгорания. Крутящий момент от вала турбины к компрессору передается посредством редуктора. Сопло состоит из двух конусообразных связанных между собой статично частей - одной большего размера, другой меньшего размера, расположенной внутри первой с некоторым зазором, увеличивающимся к концу. Сопло располагается в нижней части летательного аппарата в вертикальном положении. Горизонтально-ориентированный турбореактивный двигатель с изменяемым вектором тяги обеспечивает высокую скорость летательного аппарата в горизонтальном направлении. Обеспечивается повышение маневренности и устойчивости летательного аппарата как в вертикальном, так и в горизонтальном режимах полета. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Двигателестроение и Авиастроение

Аналогом Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки является прямоточный реактивный двигатель или турбореактивный двигатель. При этом его прототипом возможно назвать последний.

Реактивный двигатель - двигатель, который обеспечивает движение вперед, быстро выпуская струю жидкости или газа в направлении, противоположном направлению движения. Научно-технический энциклопедический словарь [Электронный ресурс]: enc-dic.com. (дата обращения: 04.03.2015).

Турбореактивный двигатель авиационный двигатель, в котором энергия вырабатывается реактивной силой, расширяющихся газов. Спереди в компрессор поступает воздух, нагнетается в камеру сгорания, смешивается с горючим и поджигается, отчего происходит взрывное расширение газа. Научно-технический энциклопедический словарь [Электронный ресурс]: enc-dic.com. (дата обращения: 04.03.2015).

Недостатком известных ныне реактивных двигателей (аналога и прототипа) является неполное использование их потенциала.

Известными аналогами Летательного аппарата вертикального взлета и посадки являются вертолет, самолет с вертикальным взлетом и конвертоплан, второй из которых является прототипом.

Самолет - летательный аппарат тяжелее воздуха с крылом, на котором при движении образуется аэродинамическая подъемная сила, и силовой установкой, создающей тягу для полета в атмосфере. Энциклопедия «Техника». [Электронный ресурс]: enc-dic.com. (дата обращения: 04.03.2015).

Вертолет - летательный аппарат, в котором подъемная сила создается при помощи винта (винтов). Способен совершать вертикальный взлет и посадку, зависание, движение вперед, назад, боком. Научно-технический энциклопедический словарь [Электронный ресурс]: enc-dic.com. (дата обращения: 04.03.2015).

Конвертоплан - летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой с изменяемым вектором тяги, создаваемой винтовыми двигателями. [Электронный ресурс]: www.rosinform/2013. (дата обращения: 18.05.2015).

Недостатками Самолета с вертикальным взлетом является то, что он по сравнению с обычным самолетом имеет лишь одно отличительное качество - способность взлетать с ограниченного пространства, при этом ограничен в маневренности, имеет склонность к опрокидыванию при взлете, чрезвычайно сложен в управлении, особенно при переходе из вертикального режима полета в горизонтальный и наоборот.

Недостатки Вертолета заключаются в том, что он, уступая самолету в скорости и дальности преодолеваемых расстояний, в некоторых случаях, ограничен и в своей маневренности из-за несущих и рулевых винтов (имеется ввиду возможность задевания этими винтами, например, электрических проводов на столбах и прочих предметов).

Недостатки Конвертоплана выражаются в том, что он, превосходя вертолет в скорости и дальности преодолеваемых расстояний, имеет отмеченные выше недостатки вертолета, в Конвертоплане явственнее проявляется свойственная вертолету проблема так называемого «вихревого кольца», когда лопасти несущего винта попадают в вихревой поток, который был до этого создан самим несущим винтом, что приводит к снижению подъемной силы лопастей.

Раскрытие сущности Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки, это устройство, содержащее общеизвестную схему турбореактивного реактивного двигателя, вырабатывающего энергию реактивной силой расширяющихся газов, с увеличением их давления посредством компрессии, отличающееся от него тем, что оно, будучи предназначенным для принципиально нового летательного аппарата, сочетающего свойства вертолета и самолета имеет иную конструкцию узлов, а также агрегатов и состоит как показано на фигуре 1 из вертикально-ориентированного 1 и горизонтально-ориентированного 2 двигателей, кольцевая камера сгорания 3 в сочетании с петлевым способом ее устройства вертикально-ориентированного двигателя размещается в вертикальном положении. Внутри нее проходит вал турбины 4, турбина 5 размещается также в вертикальном положении под камерой сгорания, крутящий момент от вала турбины к компрессору 6 передается посредством редуктора 7, газовая, реактивная струя, выходя из камеры сгорания и пройдя турбину, поступает в сопло 8, состоящее из двух конуснообразных связанных между собой статично частей, одной большего размера 9, другой меньшего размера 10, расположенной внутри первой с некоторым зазором, увеличиваемся к концу, в который попадает реактивная струя. Такое сопло располагается в нижней части летательного аппарата в вертикальном положении. Из-за конусной формы сопла реактивная струя 11, исходя из него сплошным потоком, расходится от его центра, оси в разные стороны, образуя обширный диск подъемной силы большего размера, чем, значительная часть габаритов, соответственно и массы, самого летательного аппарата, на котором двигатель установлен, что придает ему особую устойчивость в вертикальном движении, диаметр сопла зависит от размеров летательного аппарата. Крайние его границы совпадают с габаритами средней части фюзеляжа летательного аппарата. Летательный аппарат сконструирован таким образом, что центр его тяжести совпадает с центром конуснообразного сопла. Для перехода летального аппарата из вертикального режима полета в горизонтальный, помимо того, для маневрирования и управления, организация двигателя, а также его нижнего конуснообразного сопла позволяет менять вектор тяги. Размещенный в задней части летательного аппарата горизонтально-ориентированный турбореактивный двигатель с изменяемым вектором тяги обеспечивает высокую скорость летательного аппарата в горизонтальном направлении, в этом режиме вертикально-ориентированный двигатель поддерживает подъемную силу летательного аппарата. Работа обоих двигателей связана, по мере перехода из вертикального в горизонтальный полет производительность вертикально-ориентированного двигателя снижается, а производительность горизонтально-ориентированного увеличивается, в данном режиме полета вертикально-ориентированный двигатель используется для поддержания подъемной силы, при возвращении в вертикальный полет, указанное соотношение меняется в обратном порядке, данные пропорции обеспечиваются ручным управлением, либо компьютером.

Система подачи воздуха в вертикально-ориентированный двигатель является двухконтурной 12, часть воздуха попадает в камеру сгорания, другая проходит по внешнему контуру и участвует в охлаждении двигателя и снижении температуры выходящих из сопла газов, при вертикальном полете воздух поступает в двигатель помимо горизонтальных воздухозаборников, также из вертикальных воздухозаборников, устроенных в фюзеляже летательного аппарата, на котором он установлен. Такую же систему поступления воздуха имеет и горизонтально-ориентированный двигатель.

Работа Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки осуществляется следующим образом. Организованные в указанном выше порядке вертикально-ориентированный двигатель обеспечивает взлет и посадку летательного аппарата, на котором он установлен, в вертикальной плоскости, как это происходит у вертолета, Горизонтально-ориентированный двигатель обеспечивает его движение в горизонтальной плоскости, так, как движется самолет. Таким образом, достигается сочетание свойств вертолета и самолета в одном летательном аппарате. Подъемная сила обеспечивается не вращением винтов, а отбрасыванием рабочего тела, то есть, выходом реактивной струи, в противоположную движению сторону.

Как вариант, альтернатива конуснообразному соплу на Вертикально-ориентированном двигателе может быть применено сопло, напоминающее форму подковы 13, состоящее также из двух частей, одной большего размера, другой меньшего размера, расположенной внутри первой с некоторым зазором, увеличиваемся к концу, в который попадает реактивная струя, с отклонением части сопла в месте выхода реактивной струи от центра, оси вертикального ориентированного двигателя наружу, для того, чтобы реактивная струя расходилась от его центра в разные стороны, образуя обширный диск подъемной силы большего размера, чем значительная часть габаритов, соответственно и массы, летательного аппарата, что обеспечивает его устойчивый полет в вертикальном режиме.

В качестве вариантов, Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки может иметь различное сочетание количества вертикально-ориентированных и горизонтально ориентированных двигателей: один вертикально-ориентированный двигатель и один горизонтально-ориентированный двигатель, четыре вертикально-ориентированных двигателя и два горизонтально-ориентированных двигателя, либо иное сочетание; как вариант, один вертикально-ориентированный двигатель обеспечивается несколькими соплами; в случае установки на летальном аппарате нескольких вертикально-ориентированных двигателей, либо, одного такого двигателя с несколькими соплами, они размещаются таким образом, чтобы центр тяжести летательного аппарата оставался между ними.

Как вариант в вертикально-ориентированном двигателе возможно использование камер сгорания иных видов.

Для сокращения осевых размеров, как вариант, кольцевая камера сгорания вертикально-ориентированного двигателя организуется таким образом, что турбина размещается, как показано на фигуре 1, вокруг нее 14 и образующиеся при сгорании топлива газы исходят во внешнею сторону кольца камеры сгорания на турбину, либо внутри нее 15, здесь газы выходят из кольца во внутреннею сторону также на турбину. Газы, попадая на расположенные под определенным углом лопатки турбины, приводят ее в движение. В первом случае турбина соединяется с валом дополнительными устройствами над камерой сгорания. Во втором, вал турбины проходит внутри кольцевой камеры сгорания.

Такая кольцевая камера сгорания имеет малые осевые размеры, но большие поперечные, однако, это соответствует идеи конструкции летательного аппарата, для которого предназначен такой двигатель

Предложенная конструкция двигателя основана на действии второго закона Ньютона, согласно которому в инерциональных системах отсчета ускорение, приобретаемое материальной точкой, прямо пропорционально вызывающей его силе, не зависит от ее природы, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки.

Сущность Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки заключается в том, что она, используя классическую схему турбореактивного двигателя, обеспечивает движение летательного аппарата как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях с гораздо большей степенью устойчивости, чем ныне известные аналоги.

Также особенное распределение тяговых усилий устройства позволяет летательному аппарату, на котором оно установлено, приобретать уникальные свойства, совмещающие преимущества самолета в скорости и вертолета в маневренности.

Задача предполагаемого технического решения Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Задача Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки заключается в том, что она обеспечивает принципиально новое распределение тяговых усилий, которое обуславливает придание летательному аппарату, на котором оно установлено, ранее неизвестных свойств, на новом уровне сочетающих скорость, маневренность и живучесть, устойчивость, как в вертикальном, так и в горизонтальном режимах полета.

Возможность обеспечения описанного выше технического результата при осуществлении изобретения основывается на сочетании действия двух физических законов: лежащего в основе работы реактивного двигателя закона сохранения импульса и так называемого второго закона Ньютона, в соответствии с которым изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Данный закон, как общеизвестно, описывает взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и происходящего в результате ускорения этой точки. Действие данного Закона проявляется при организации размещения двигателя, а также потока реактивной струи особым, сконструированным описанным выше способом. Здесь реактивная струя служит упомянутой силой, а материальной точкой является фюзеляж летательного аппарата.

Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки представлена на фигуре 1.

Раскрытие сущности Летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Сущность Летательного аппарата вертикального взлета и посадки, как технического решения выражается в следующем. Он представляет собой устройство, содержащее общеизвестную схему летательных аппаратов, являющихся летательными устройствами тяжелее воздуха, отличающийся от них тем, что он за счет уникальных характеристик и особого распределения тяговых усилий установленного на нем вертикально-горизонтально ориентированного двигательного устройства, отсутствия несущих и рулевых винтов позволяет совместить и превзойти преимущества вертолета в маневренности, которые не доступны самолетам, а также преимущества самолета в скорости и дальности преодолеваемых расстояний, не достижимые для вертолетов.

Такие свойства Летательного аппарата вертикального взлета и посадки достигаются за счет особой силовой установки с принципиально новым распределением тяговых усилий, состоящей как показано на фигуре 2 из Вертикально-ориентированного двигателя 1 и Горизонтально-ориентированного двигателя 2. Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки может быть установлена на летательном аппарате вертикального взлета и посадки в различных вариациях, в частности, в единственном числе, а в случае больших размеров летательного аппарата, например, в случае его грузового или пассажирского назначения, их может быть несколько, с различным сочетанием количества вертикально-ориентированных и горизонтально-ориентированных двигателей, например четыре вертикально-ориентированных двигателя и один-два горизонтально-ориентированных двигателя. Управление летательным аппаратом, его маневрирование, осуществляется за счет изменения тяги двигателей Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки в сочетании с работой подкрылок.

Работа летательного аппарата осуществляется следующим образом. Установленные на нем организованные в указанном выше порядке вертикально-ориентированный двигатель обеспечивает его взлет и посадку, в вертикальной плоскости, как это происходит у вертолета, горизонтально-ориентированный двигатель обеспечивает его движение в горизонтальной плоскости, так, как движется самолет. Таким образом, достигается сочетание свойств вертолета и самолета в одном летательном аппарате. Подъемная сила обеспечивается не вращением винтов, а отбрасыванием рабочего тела, выходом реактивной струи, в противоположную движению сторону. Отсутствие несущих и рулевых винтов лишает заявленный летательный аппарат упомянутых выше недостатков, свойственных вертолетам и конвертопланам. При этом, заявленное устройство более маневренно чем самолет и не нуждается во взлетно-посадочных полосах.

Летательный аппарат вертикального взлета и посадки представлен на фигуре 2.

Задача предполагаемого технического решения летательного аппарата Летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Задача предлагаемого технического решения Летательного аппарата вертикально-горизонтального полета заключаются в том, чтобы он, ввиду отраженных выше свойств, сохраняя скоростные качества и дальности полетов самолета, за счет приведенной выше конструкции и Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки достиг и превзошел маневренность вертолета и конвертоплана. Эти недостижимые для аналога и прототипа качества дают летательному аппарату способность не только взлетать с ограниченного пространства и садиться на ограниченное пространство, но летать на сверх малых скоростях и небольших высотах, проходить между различными препятствиями (например, постройками и линиями электропередач в населенных пунктах, скалами в горах и т.д.), зависать на определенных высотах.

Возможность достижения указанного технического результата достигается посредством особенной Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки, в ходе работы которой происходит реализация упоминавшегося выше Второго закона Ньютона.

Краткое описание чертежей:

1. На фигуре №1 изображена Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки с отображением схемы узлов и агрегатов:

1) вертикально-ориентированный двигатель;

2) горизонтально-ориентированный двигатель;

3) камера сгорания;

4) вал турбины;

5) турбина;

6) компрессор;

7) редуктор;

8) конуснообразное сопло;

9) внешняя часть конуснообразного сопла;

10) внутренняя часть конуснообразного сопла;

11) направление реактивной струи;

12) направление движения воздуха для камеры сгорания и охлаждения двигателя;

13) альтернативное сопло.

14) вариант камеры сгорания с размещением турбины вокруг нее

15) вариант камеры сгорания с размещением турбины внутри нее.

2. На фигуре №2 изображен Летательный аппарат вертикального взлета и посадки:

16) летательный аппарат;

1) вертикально-ориентированный двигатель;

2) горизонтально-ориентированный двигатель;

17) шасси.

Осуществление Силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Названной установкой могут оснащаться вновь построенные специально для него летательные аппараты военной и гражданской авиации, обеспечивая достижение упоминавшихся ранее полезных свойств.

Осуществление Летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Летательный аппарат, оснащенный Силовой установкой летательного аппарата вертикального взлета и посадки с такими новыми техническими характеристиками, может быть полезным для народного хозяйства, а также органов внутренних дел и иных органов правопорядка для обеспечения высокой степени оперативности реагирования и пресечения различных преступных проявлений, например, террористических актов, нападений на инкассаторов и т.п.

При обеспечении летательного аппарата соответствующим вооружением, специальной техникой (приборами ночного видения, тепловизорами и т.п.) и информацией, поступающей от дежурных по подразделениям правоохранительных органов, а также из центров по обработке информации с камер видеонаблюдения, его пилот сможет оперативно достигать места правонарушения и наносить избирательные, выверенные удары, которые пресекут преступление или существенно затруднят его исполнение. Современные информационные системы вкупе с возможностями летательного аппарата позволят уже в полете снабжать пилота дополнительными сведениями (данными, видеокартинкой), которые дадут возможность скорректировать его действия и сделать их максимально эффективными.

Создание и снабжение сил правопорядка такими летательными аппаратами с внедрением их в глобальную систему безопасности позволит своевременно пресекать подобные и прочие преступные проявления или существенно минимизировать их последствия.

Данный летательный аппарат, уже с иным вооружением, может быть использован и подразделениями Министерства обороны Российской Федерации, поскольку его уникальные качества, которыми пока не обладает ни один другой летательный аппарат, позволят обеспечить более выверенные и точечные удары по объектам противника в условиях населенных или укрепленных пунктов, либо при выполнении специальных задач.

Наконец, летательный аппарат может быть использован для медицинской авиации, став для ее целей более эффективным, чем вертолеты, в силу отмечавшихся выше его качеств (скорости и дальности расстояний, которые он способен преодолеть при сохранении и даже превышении степени маневренности вертолета).

1. Силовая установка летательного аппарата вертикального взлета и посадки, состоящая из вертикально-ориентированного и горизонтально-ориентированного двигателей, отличающаяся тем, что кольцевая камера сгорания в сочетании с петлевым способом ее устройства вертикально-ориентированного двигателя размещается в вертикальном положении, внутри нее проходит вал турбины, последняя размещается также в вертикальном положении под камерой сгорания, крутящий момент от вала турбины к компрессору передается посредством редуктора, газовая реактивная струя, выходя из камеры сгорания и пройдя турбину, поступает в сопло, состоящее из двух конусообразных связанных между собой статично частей, одной большего размера, другой меньшего размера, расположенной внутри первой с некоторым зазором, увеличивающимся к концу, в который попадает реактивная струя, сопло располагается в нижней части летательного аппарата в вертикальном положении, из-за конусной формы сопла реактивная струя, исходя из него сплошным потоком, расходится от его центра в разные стороны, образуя обширный диск подъемной силы большего размера, чем габариты летательного аппарата, диаметр сопла зависит от размеров летательного аппарата, крайние его границы совпадают с габаритами средней части фюзеляжа летательного аппарата, центр конусообразного сопла совпадает с центром тяжести летательного аппарата, горизонтально-ориентированный турбореактивный двигатель с изменяемым вектором тяги обеспечивает высокую скорость летательного аппарата в горизонтальном направлении, в этом режиме вертикально-ориентированный двигатель поддерживает подъемную силу летательного аппарата, работа обоих двигателей связана, по мере перехода из вертикального в горизонтальный полет производительность вертикально-ориентированного двигателя снижается, а производительность горизонтально-ориентированного увеличивается, в данном режиме полета вертикально-ориентированный двигатель используется для поддержания подъемной силы при возвращении в вертикальный полет, указанное соотношение меняется в обратном порядке ручным управлением либо компьютером, система подачи воздуха в вертикально-ориентированный двигатель является двухконтурной, часть воздуха попадает в камеру сгорания, другая проходит по внешнему контуру и участвует в охлаждении двигателя и снижении температуры выходящих из сопла газов, при вертикальном полете воздух поступает в двигатель помимо горизонтальных воздухозаборников, также из вертикальных воздухозаборников, такую же систему поступления воздуха имеет и горизонтально-ориентированный двигатель.

2. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий силовую установку по п.1.