Самолет с вертикальным взлетом и посадкой

Изобретение относится к авиации, а именно, к самолетам вертикального взлета и посадки (СВВП) и летательным аппаратам (ЛА).

Предшествующий уровень техники

Известно множество проектов СВВП, появившихся во 2-й половине 20- го века (Ружицкий Е.И. Американские самолеты вертикального взлета. - М.: ООО «Издательство Астрель», 2000. - 192 с.: ил., Хафер К., Закс Г. Техника вертикального взлета и посадки (М: Мир, 1985. - 376 с., ил.). При этом, с самого начала все разрабатывавшиеся компоновки СВВП можно было отнести к двум различным типам: СВВП, сохраняющим горизонтальное положение фюзеляжа как в крейсерском полете, так и на режимах вертикального взлета и посадки (ВВП), как правило, за счет поворота силовой установки и/или воздушных винтов и «Тайлситеры» или, буквально, «садящиеся на хвост» - СВВП, не имеющие поворотных силовых установок и/или воздушных винтов, и полностью возвращающиеся в вертикальное положение на режимах ВВП. Бесспорным преимуществом «тайлситтеров» считалась более высокая весовая эффективность и надежность, поскольку у них отсутствуют механизмы поворота двигателей и винтов. Поэтому такие СВВП привлекли внимание военных. Так, фирма «Локхид» разрабатывала проект СВВП XFV-1 Salmon для ВМФ США (Ружицкий Е.И. Американские самолеты вертикального взлета. - М.: ООО «Издательство Астрель», 2000. - 192 с.: ил.). Особенностью этого СВВП было вертикальное положение при нахождении земли перед взлетом и после посадки. Для этого СВВП имел X- образное хвостовое оперение, оснащенное опорами шасси. Вертикальный взлет и посадка (ВВП) выполнялись за счет тяги воздушного винта, расположенного в носовой части фюзеляжа, приводимого во вращение газотурбинным двигателем (ГТД). После вертикального взлета СВВП постепенно возвращался в горизонтальное положение и выполнял крейсерский полет как обычный самолет. Достоинством данного технического решения является возможность достижения в крейсерском полете высокого аэродинамического качества и хороших летно-технических характеристик за счет большого удлинения крыла.

Главный недостаток вышеописанного технического решения заключается в низкой эффективности и плохой управляемости на режимах ВВП поскольку здесь управление движением СВВП обеспечивается только отклонением аэродинамических рулей, обдуваемых струей винта. Для создания необходимых управляющих моментов требуется высокая скорость в струе, а достичь ее можно только увеличением нагрузки на ометаемую площадь винта, что снижает КПД винта и увеличивает расход топлива на режимах ВВП.

Известен также летательный аппарат (ЛА), называемый квадрокоптером, относящийся к классу мультикоптеров, являющийся функциональным аналогом вертолета (Ерохин Е., Коломиец А. Мультикоптеры: новый изд.) http://www.uav.ru/Articles Июль, 2016). Подъемная сила у квадрокоптера создается четырьмя воздушными винтами, расположенными в вершинах четырехугольника, как правило, квадрата, и приводятся во вращение индивидуальными электродвигателями (ЭД). Поэтому в качестве источника энергии используются аккумуляторные батареи (АКБ) или топливные элементы, которые располагаются, как правило, в геометрическом центре аппарата. Там же находятся система управления и полезная нагрузка. Важной особенностью квадрокоптера является то, что оси вращения воздушных винтов не поворачиваются по отношению к его конструкции, а управляющие силы и моменты создаются только путем изменения тяги винтов. Этим квадрокоптером принципиально отличается от вертолета, для управления которым необходимо оснащение несущего винта механическим устройством управления общим и циклическим шагом, называемым в отечественной литературе автоматом перекоса (АП). Вместе с тем, неотъемлемым элементом конструкции квадрокоптера является электронная автоматическая система улучшения устойчивости (АСУУ), которая измеряет с помощью датчиков (гироскопов и акселерометров) параметры движения ЛА и регулирует тягу винтов путем изменения мгновенной мощности (и частоты вращения) ЭД приводов. Малое время переходных процессов, свойственный ЭД, обеспечивает квадрокоптеру приемлемые характеристики устойчивости и управляемости при использовании воздушных винтов без АП. Таким образом, квадрокоптер, сохраняя функциональность и эффективность вертолета, оказывается проще по конструкции, более надежной в эксплуатации и дешевле по стоимости.

Основными недостатками квадрокоптера являются малая дальность и недостаточная длительность полета, связанные с невысокой энергоемкостью современных АКБ. Кроме того, как и вертолет, квадрокоптер имеет невысокую максимальную скорость полета обычно не более 100 км/ч. Таким образом, квадрокоптер способен обеспечить высокую эффективность режимов ВВП, но проигрывает классической самолетной схеме в крейсерском полете.

Из уровня техники не выявлено технического решения тождественному предлагаемому.

Раскрытие изобретения

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача обеспечения высокой эффективности режимов вертикального взлета и посадки с сохранением хороших лётно-технических характеристик в крейсерском полете.

Поставленная задача решена в самолете с вертикальным взлетом и посадкой, содержащем фюзеляж с кабиной пилота, в верхней части фюзеляжа закреплены, размещенные на нем в форме треугольника три кольцевых вентилятора, при этом в каждом кольце соосно установлены по два двигателя с воздушными винтами, кроме того , самолет имеет два крыла, выполненные треугольными со срезанными концами и стабилизатор, закрепленные на нижней части фюзеляжа таким образом, что вертикальные плоскости крыльев и стабилизатора находятся на линиях осей вентиляторов, на нижней части крыльев закреплены элевоны, а на нижней части стабилизатора установлен руль при этом на наружных вертикальных торцах каждого крыла и стабилизатора расположены посадочные пневматические амортизационные ножки, кроме того, в фюзеляже размещена система управления самолетом, а на крыльях имеется место для расположения узлов подвески вооружения.

Выполнение облегченной конструкции с мощными электродвигателями в совокупности с вышеперечисленными признаками предложенного технического решения позволит быстро привести данный агрегат в движение, выполнить поставленную задачу и совершить посадку практически в любом месте. Крыло с большой площадью дает большую подъемную силу при горизонтальном движении со скоростью более 150 км/ч, при этом позволяет экономить расход электроэнергии и увеличивает дальность полета. Большая площадь ометания воздушных винтов и низкий центр тяжести обеспечивает устойчивость при вертикальном зависании и движении на малых скоростях. Использование воздушных кольцевых вентиляторов повышает безопасность эксплуатации и увеличивает тягу на 20% и КПД системы в целом. В результате повышается подъемная сила, увеличиваются скоростные возможности и эффективность управления. Значительно снижается уровень шума аппарата в городских условиях и дальность обнаружения при специальных операциях

Целесообразно, чтобы кабина пилота была выполнена герметичной в случае применения ЛА как транспортное средство для граждан.

Целесообразно, чтобы кабина пилота была исполнена открытой в случае использования ЛА для целей специального назначения, а именно, спасательных, военных, полицейских спецопераций.

Рекомендуется, чтобы система управления самолетом была механической для использования во всех случаях как резервная система управления на случай выхода из строя основной электронной системы и является дополнительной опцией аппарата.

Рекомендуется, чтобы система управления самолетом была на автопилоте в случае применения ЛА как транспортное средство в виде такси для граждан.

Рекомендуется чтобы система управления самолетом была беспилотной, при выполнении военных и спасательных операций, когда нахождения пилота является рискованным или не требуется его присутствие при выполнении необходимых операций.

Предлагаемое техническое решение имеет относительно простую надежную конструкцию, весьма удобную в эксплуатации.

Ниже приводится описание конкретного примера осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематически изображает самолет с вертикальным взлетом и посадкой, выполненный согласно настоящему изобретению, общий вид.

Фиг. 2 показан этап движения самолета-фаза I. Вертикальный взлет.

Фиг. 3 показан этап движения самолета - фаза II. Разгон и набор высоты с изменением положения от вертикального к горизонтальному.

Фиг. 4 показан этап движения самолета - фаза III. Горизонтальный полит. (15-18 градусов).

Фиг. 5 показан этап движения самолета - фаза IV. Для посадки аппарат замедляется и изменяет положение с горизонтального на вертикальное.

Фиг.6 показан этап движения самолета - фаза V. Посадка в вертикальном положении.

Лучший вариант осуществления изобретения

Самолет с вертикальным взлетом и посадкой, выполненный согласно настоящему изобретению, содержит фюзеляж 1 с кабиной пилота 2. На верхней части фюзеляжа 1 закреплены, размещенные в форме треугольника, три кольцевых вентилятора 3, 4, 5. В каждом кольце вентиляторов 3, 4, 5 соосно установлены по два воздушными винтами, а именно, в вентиляторе 3 установлены двигатели с воздушными винтами 6, 7, в вентиляторе 4 установлены двигатели с воздушными винтами 8, 9 и в вентиляторе 5 установлены двигатели с воздушными винтами 10, И. На нижней части фюзеляжа 1 закреплены два крыла! 2, 13 и стабилизатор 14. Крылья 12,13 выполнены треугольными со срезанными концами и закреплены они вместе со стабилизатором 14 на нижней части фюзеляжа 1 таким образом, что стабилизаторы 14 находятся на линиях осей вентиляторов 3, 4, 5. На нижней части крыльев 12,13. закреплены элевоны 15, 16 соответственно, а на нижней части стабилизатора 14 установлен руль направления 17. На наружных вертикальных торцах каждого крыла 12, 13 и стабилизатора 14 расположены посадочные пневматические амортизационные ножки 18, 19, 20. В фюзеляже 1 за кабиной пилота 2 размещена система управления самолетом 21 , а на крыльях 12, 13 имеется место для оснастки узлами подвески вооружения. Система управления самолетом может быть выполнена механической, с ручным управлением, на автопилоте и беспилотной. Кабина для пилота может быть исполнена герметичной и открытой. В этом случае человек садится в кресло и пристегивается ремнями безопасности. Для полетов необходима защитная экипировка.

Самолет с вертикальным взлетом и посадкой работает следующим образом.

Подъем самолета осуществляется запуском всех вентиляторов 3, 4, 5 двигательной установки, винты 6, 7, 8, 9, 10, 11 приводятся во вращение, в результате чего возникает подъемная сила в вертикальной плоскости, и самолет поднимается в воздух. Посредством системы управления, которая осуществляется перевод элевонов 15, 16 в нижнее положение, после чего самолет с набором скорости переходит в горизонтальное положение. При принятии горизонтального положения элевоны 15, 16 переводят в нейтральное положение. Маневрирование в горизонтальной плоскости осуществляют путем изменения положения руля направления 17, а для маневра вертикальной плоскости служат крылья 12, 13 с элементами управления элевонами 15, 16. Для посадки самолета необходимо снизить обороты вентиляторов 3, 4, 5 и перевести элевоны 15, 16 в положение, обеспечивающее быстрый сброс скорости и принятие вертикального положения агрегата. После этого элевоны 15, 16 переводят в нейтральное положение и путем поддержания определенных оборотов винтов 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 осуществляется посадка на амортизационные ножки 18, 19, 20.

Таким образом предлагаемое техническое решение характеризуется высокой маневренностью, обладает хорошими скоростными характеристиками, подъемной силой и эффективностью управления. Преимуществом самолета является большая скорость, максимальная (350 км/ч) и крейсерская (-250 км/ч) скорость, экономичность, низкий уровень шума, высокая устойчивость в любом режиме полета, безопасность (при отказе одного из двигателей в каждом вентиляторе второй будет работать в аварийном), режиме), также все самолеты имеют аварийную парашютную спасательную систему для безопасной посадки самолета вместе с пассажиром или грузом. Большая грузоподъемность (более 200 кг) позволяет произвести бронирование (защиту от пуль калибром до 7,62 мм) жизненно важных узлов и механизмов ЛА. Использование полностью электрической двигательной системы дает значительное преимущество перед реактивнобензиновыми конкурентами за счет отсутствия теплового следа в инфракрасном диапазоне (горячих двигателей, выхлопа, реактивной струи), что позволит избежать наведения систем ПВО противника и значительно снизит возможность обнаружения за счет тепловизоров и других систем в инфракрасном диапазоне. Еще одно преимущество конструкции - это низкая стоимость изготовления и эксплуатации.

Промышленная применимость

Предлагаемое техническое решение имеет широкий спектр использования. Наиболее успешно предлагаемое изобретение может быть использовано как самолет (летательный аппарат) вертикального взлета и посадки без аэродромного базирования. Основной сферой применения, предлагаемого СВВП является организация воздушных перевозок без привязки к существующей аэродромной сети и без необходимости строительства новых взлетно-посадочных полос.

Данную конструкцию самолета можно использовать в качестве универсальной платформы для выполнения различных задач, приведенных ниже, а также для доставки грузов. Возможно использование как военного, спасательного, полицейского, пассажирского транспортного средства. Может также быть использован, как гражданский городской аппарат с автоматическим (беспилотным), дистанционным, ручным управлением с герметичной кабиной с системой жизнеобеспечения и климат-контролем, подушками безопасности и мультимедийной системой для перемещения одного пассажира на расстояние до 100 км, для использования в качестве такси или частного транспорта, как спасательный аппарат с лебедкой с автоматическим (беспилотным), дистанционным, ручным управлением, с открытой кабиной, для эвакуации людей из труднодоступных мест в чрезвычайных условиях, как пожарный аппарат быстрого реагирования с автоматическим (беспилотным), дистанционным управлением, с капсулой до 200 литров для тушения пожара, на высоких этажах многоэтажек или в труднодоступных местах, как полицейский аппарат с автоматическим (беспилотным), дистанционным, ручным управлением, для быстрого реагирования в условиях города, быстрой доставки сил специального назначения, для видеонаблюдения за нарушителями порядка, может быть оснащен, прожекторами, и спецсредствами.

Заявленное техническое решение может быть использовано на поле боя в военное время, а именно для разведки, патрулирования, десантирования, эвакуация раненых с поля боя, бомбардировки наземных целей, обезвреживание воздушных целей, обезвреживание надводных целей, использование в качестве самолета-снаряда, грузового транспорта.

Отсутствие на борту жидкого топлива и других горючих веществ повышает живучесть аппарата при огне из стрелкового оружия, что позволяет оставаться в полете даже в случае прямых попаданий в любые детали самолета кроме двигателей, воздушных винтов, основных плат и электроники, жизненно важных органов пилота, (в этом случае возможен вариант перехвата управления оператором или автономным ПО аппарата и эвакуация из зоны боевых действий), а также основных систем управления аппаратом.

Использование предлагаемой конструкции самолета позволит обеспечить высокий уровень универсальности применения, путем исключения необходимости строительства специальных аэродромов и обеспечение эксплуатации даже с необорудованных площадок, в том числе с рыболовных судов, с грунтовых площадок, например, в сельской местности.