Співвісний швидкісний вертоліт, банк патентів
Корисна модель відноситься до авіаційної техніки, зокрема до пристрою вертольотів соосной схеми. Пропонується співвісний швидкісний вертоліт, який містить фюзеляж, двигун, систему співвісних синхронізованих несучих, гвинтів з можливістю управління загальним і циклічним кроком, що штовхає повітряний гвинт з віссю, розташованою горизонтально і з можливістю управління кроком гвинта, і аеродинамічні поверхні для стабілізації і управління, і механізм нахилу системи несучих гвинтів і систему стабілізації вертольота.
Корисна модель відноситься до авіаційної техніки, зокрема до пристрою вертольотів соосной схеми.
Недоліком описаної конструкції є те, що в режимі швидкісного польоту несучий гвинт створює частина підйомної сили і при цьому не створює тяги, тобто за фактом працює як несучий гвинт автожиру, створюючи шкідливий опір більше, ніж звичайне крило тієї ж площі. До того ж несиметрія обтікання все одно присутній і вимагає компенсації керманичами поверхнями (як мінімум), що ускладнює систему управління і вимагає спеціальної підготовки пілота або обов'язкова наявність автопілота.
Недоліком конструкції вертольота фірми Sikorsky є робота несучого гвинта на великій швидкості в автожірном режимі, тобто несучий гвинт створює підйомну силу, а горизонтальна тяга створюється штовхає гвинтом, розташованим в хвостовій частині вертольота. Загальний ККД вертольота залишається невисокий, для польоту з тією ж швидкістю літака з класичної аеродинамікою буде потрібно набагато менше витрат енергії.
Завданням пропонованої корисної моделі є створити конструкцію співвісного швидкісного вертольота здатну до вертикального зльоту і висіння, швидкісного горизонтального польоту та при цьому з низькими енергетичними затратами на політ.
Необхідний технічний результат досягається тим, що співвісний швидкісний вертоліт, який містить фюзеляж, двигун, систему співвісних синхронізованих несучих гвинтів з можливістю управління загальним і циклічним кроком, що штовхає повітряний гвинт з віссю, розташованою горизонтально і з можливістю управління кроком гвинта, і аеродинамічні поверхні для стабілізації і управління, характеризується тим, що має механізм нахилу системи несучих гвинтів і систему стабілізації вертольота.
Механізм нахилу системи несучих гвинтів складається з колонки з редуктором і управляється приводом нахилу колонки.
Колонка системи несучих гвинтів має шарнірне кріплення до фюзеляжу.
Діапазон нахилу колонки системи несучих гвинтів становить 90 ° -70 ° відносно горизонтальної осі вертольота.
Привід нахилу колонки виконаний електромеханічним або пневматичним, або гідравлічним.
Система стабілізації вертольота містить механічну і електронну (автопілот) частини.
Механізм управління кутом установки горизонтального оперення (ГО) виконаний електромеханічним або пневматичним, або гідравлічним.
Двигун може бути внутрішнього згоряння поршневий або турбореактивний (турбовальний), або електричний.
Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями.
На фіг.1 зображений вертоліт із зазначенням основних вузлів; фіг.2 система несучих гвинтів з механізмом нахилу колонки; фіг.3 векторні діаграми швидкостей і сил, що виникають при обтіканні профілю лопаті несучого гвинта.
Співвісний швидкісний вертоліт, містить (фіг.1) фюзеляж 1, на якому шарнірно закріплена система несучих гвинтів 2, що складається з колонки 3 (фіг.2), співвісних синхронізованих гвинтів 4 з жорстким, кріпленням лопатей і з можливістю управління загальним і циклічним кроком лопатей , при цьому колонка 3 містить редуктор 5 і співвісні вали 6. У хвостовій частині фюзеляжу 1 виконано горизонтальне оперення 7 і вертикальне оперення 8, рухливо з'єднані з фюзеляжем 1 і забезпечені кермом висоти 9 і напрямки 10, а також механізмом управління кутом установки Г 11. Усередині фюзеляжу встановлені двигун 12; проміжний редуктор 13; трансмісія на головний редуктор 14; трансмісія на хвостовий гвинт 15; хвостовий штовхає гвинт 16 з можливістю управління кроком гвинта; привід нахилу колонки 17; електронна система стабілізації (автопілот) 18; механічну зв'язок системи стабілізації 19.
Пристрій працює наступним чином.
Двигун 12, нерухомо встановлений в фюзеляжі 1, передає потужність за допомогою проміжного редуктора 13 і трансмісії 14 на систему несучих гвинтів 2, і за допомогою трансмісії 15 на хвостовій штовхає гвинт 16. Проміжний редуктор 13 виконаний з можливістю пропорційно перерозподіляти потужність двигуна 12 між системою несучих гвинтів 2 і хвостовим штовхає гвинтом 16. Обертання несучих гвинтів 4 синхронізовано в редукторі 5 і здійснюється за допомогою співвісних валів 6. Трансмісія на головний редуктор 14 містить в своєму складі ша нірно з'єднані вали з можливістю передачі потужності при будь-якому кутовому положенні колонки 3. Привід нахилу колонки 17 служить для зміни кута нахилу колонки 3 і механічним зв'язком 19 з'єднаний з горизонтальним оперенням 7. Механізм управління кутом установки ГО 11 пов'язаний з горизонтальним оперенням 7, з одного боку , і приводом нахилу колонки 17, з іншого боку, і служить для додаткової корекції балансування (тріммірованія).
На режимі зльоту і висіння колонка 3 несучих гвинтів розташована вертикально або має мінімальний кут нахилу вперед γ = 86-90 °. Система несучих гвинтів 2 працює як звичайна система співвісних гвинтів вертольота, для забезпечення стійкості і керованості використовується управління скривдимо і циклічним кроком гвинта, кермові поверхні 7, 8 на даному режимі малоефективні. При цьому енергію двигуна, витрачену на розкрутку гвинтів, можна умовно розділити на два потоки: створення підйомної сили (корисне використання) і закрутка потоку повітря нижче гвинта (втрати енергії), при цьому відносний ККД буде в районі 0,5-0,7 одиниць ,
У режимі горизонтального польоту колонка 3 нахиляється вперед на кут до 70 ° (γ = 70 °), чим вище швидкість горизонтального польоту, тим більше кут нахилу колонки 3. Аеродинаміка гвинта змінюється. Лопаті набігають (азимутальний ділянку 0-180 °) і лопаті відстаючі (азимутальний ділянку 0-180 °) використовують підведену енергію по максимуму. Несиметрія обтікання набігаючих і відстаючих лопатей попарно компенсується співвісним і синхронізованим обертанням верхнього і нижнього гвинтів 4. При нахилі колонки 3 відбувається зміна балансування вертольота тому центр мас зміщується назад щодо точки прикладання підйомної сили. Для вирівнювання становища фюзеляжу вертольота 1 щодо горизонту використовується горизонтальне оперення 7. Кут установки оперення 7 щодо фюзеляжу 1 встановлюється таким, щоб підйомна сила, що виникає на оперенні, створювала момент відносно центру мас вертольота достатній для компенсації перебалансування. Додаткові обурення від нерівномірності потоку, що набігає компенсуються кермом висоти 9 і кермом напрямку 10 під контролем пілота або автопілота 18.
Під час польоту вперед потужність двигуна, потрібна для польоту, знижується в порівнянні з потужністю потрібної для висіння, і надлишок потужності задіюється для обертання штовхає гвинта 16, розташованого в задній частині фюзеляжу, для збільшення швидкості польоту.
Високі швидкісні показники при низьких енергетичних витратах досягаються за рахунок оптимізованої аеродинаміки несучого гвинта.
На Фіг.3 показані векторні діаграми швидкостей і сил виникають при обтіканні профілю лопаті несучого гвинта при русі по азимуту описаного кола в інтервалах 0-180 ° і 180-360 °.
U0 - вектор окружної швидкості гвинта;
V0 - вектор поступальної швидкості вертольота;
W0 - результуючий вектор набігаючого потоку;
W1 - вектор істинної швидкості набігаючого потоку;
ω 1 - вектор наведеної швидкості;
R - повна аеродинамічна сила профілю лопаті;
Y - підйомна сила профілю в швидкісний системі координат лопаті;
Y1 - підйомна сила профілю в швидкісний системі координат вертольота;
Х - сила опору профілю в швидкісний системі координат лопаті;
Р - вектор тяги в швидкісний системі координат вертольота;
α - кут атаки профілю;
β - кут нахилу осі обертання гвинта відносно горизонтальної осі вертольота;
φ - кут установки лопаті відносно площини обертання.
З діаграм наочно видно, що при певному співвідношенні швидкості польоту V0 і швидкості обертання гвинта U0 на обох ділянках азимутального положення результуюча аеродинамічна сила R профілю лопаті має положення вгору-вперед в напрямку польоту вертольота. Тобто в швидкісний системі елемента лопаті є в наявності підйомна сила Y і опір елемента лопаті X, а в швидкісний системі вертольота ці ж сили перетворюються тільки підйомну силу Y 1 і тягу Р. При цьому практично вся енергія, що підводиться до гвинта, використовується для створення підйомної сили і тяги, і досягається максимальний ККД несучої системи - 0,92-0,95.
З розгляду діаграм також очевидно, що вісь обертання співвісного гвинта повинна бути нахилена на певний кут по відношенню до вектора швидкості горизонтального польоту вертольота. Якщо цей кут близько 90 ° (вісь обертання гвинта майже вертикальна), то вектор результуючої аеродинамічної сили R на азимутному ділянці 0-180 ° отримає напрямок вгору-назад, що характерно для роботи гвинта в звичайному режимі і максимальний відносний ККД буде в районі 0, 5-0,7 одиниць. Якщо кут нахилу осі гвинта γ ≤ 70 °, то на великих швидкостях польоту комльовая частина відстає лопаті, яка потрапляє в зону зворотного обтікання, починає створювати надмірний опір зважаючи на значний кута установки лопаті φ. що також знижує ККД несучої системи.
Експериментально встановлено, що діапазон нахилу осі обертання гвинта оптимальний в діапазоні 78-70 ° (γ = 78-70 °) для діапазону швидкостей 250-400 км / ч. При цьому ККД досягає максимуму 0,92-0,95 при швидкостях польоту 220-350 км / ч і поступово знижується до значень 0,75-0,8 при швидкостях 350-400 км / ч.
При досягненні кінцями набігаючих лопатей швидкості 0,7-0,8 Маха обертів несучого гвинта і підводиться до них потужність знижуються, а потужність, що підводиться до хвостового штовхає гвинт 16, збільшується, таким чином, щоб швидкість кінців лопатей несучих гвинтів ніколи не перевищувала швидкості 0 , 8 Маха - числа Маха дивергенції опору, при якому опір несучих гвинтів значно збільшується, негативно впливаючи на аеродинамічну якість вертольота і, отже, на його льотно-технічні характеристики.
Таким чином, пропонований співвісний швидкісний вертоліт, за рахунок можливості регулювання кута нахилу системи несучих гвинтів, дозволяє отримати високі швидкісні характеристики до сукупності з низькими енергетичними затратами в польоті завдяки покращеній аеродинаміці несучої системи.
Формула корисної моделі
1. співвісний швидкісний вертоліт, який містить фюзеляж, двигун, систему співвісних синхронізованих несучих гвинтів з можливістю управління загальним і циклічним кроком, що штовхає повітряний гвинт з віссю, розташованою горизонтально і з можливістю управління кроком гвинта, і аеродинамічні поверхні для стабілізації і управління, що відрізняється тим, що має механізм нахилу системи несучих гвинтів і систему стабілізації вертольота.
2. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що механізм нахилу системи несучих гвинтів складається з колонки з редуктором і управляється приводом нахилу колонки.
3. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що колонка системи несучих гвинтів має шарнірне кріплення до фюзеляжу.
4. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що діапазон нахилу колонки системи несучих гвинтів становить 90-70 ° відносно горизонтальної осі вертольота.
5. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що привід нахилу колонки виконаний електромеханічним або пневматичним, або гідравлічним.
6. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що система стабілізації вертольота містить механічну і електронну (автопілот) частини.
7. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що механізм управління кутом установки горизонтального оперення виконаний електромеханічним або пневматичним, або гідравлічним.
8. співвісний швидкісний вертоліт по п.1, що відрізняється тим, що встановлений двигун внутрішнього згоряння поршневий, або турбовальний, або електричний.