[1]Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству вертостатов.
[2]В конструкции вертостатов используются несущие винты и в этом их главное отличие от других разновидностей дирижаблей. Присутствие несущих винтов иногда позволяет вообще отказаться от хвостового оперения, если используется два, три или четыре несущих винта (патент США №4591112, кл. 244-26, 1986 г.), т.к. дифференциальным управлением подъемной силой винтов и пропульсивными продольными и боковыми составляющими этих сил можно стабилизировать линию полета и получать необходимые управляющие моменты в трех плоскостях во всем диапазоне скоростей. Однако в большинстве проектов вертостатов независимо от количества несущих винтов хвостовое оперение предусмотрено и призвано выполнять свои классические стабилизирующие функции (авт. св. СССР №422217, кл. В64В 1/34, 1972 г.; авт. св. СССР №588713, кл. В64В 1/34, 1975 г.; авт. св. СССР №719065, кл. В64В 1/34, 1978 г.; авт. св. СССР №984155, кл. В64В 1/34, 1981 г.). Однако горизонтальное хвостовое оперение не участвует в создании подъемной силы. Поэтому подъемная сила таких аппаратов складывается из суммарной подъемной силы тяги несущих винтов и подъемной аэростатической силы, создаваемой несущим газом в оболочке. С ростом поступательной скорости вертостата добавляется аэродинамическая подъемная сила, создаваемая профилем оболочки. Часть подъемной силы дополнительно может создаваться поворотом винтов маршевых винтомоторных установок, но в вертостатах, где имеются несущие винты, данное решение не получило распространение.
[3]Применение на вертостатах вертолетных несущих винтов для создания подъемной силы тяги требует обеспечения свободного пространства под винтом для отбрасываемой ими воздушной струи. Это обстоятельство приводит к созданию громоздких и сильно развитых в поперечном и продольном направлении ферменных конструкций, надежность которых вызывает сомнения при наличии вибраций, а также при полете в неспокойном воздухе.
[4]Использование чисто автожирных несущих винтов для создания части подъемной силы принципиально расширяет возможности создания эффективных компоновок вертостатов. Автожирный несущий винт по отношению к притекающему к нему потоку снизу вверх и назад работает под положительным углом атаки. Благодаря этому он может компоноваться на вертостате в пределах области плана оболочки. Это позволяет устранить протяженные внешние силовые фермы, существенно снижающие величину поднимаемой полезной нагрузки.
[5]По составу других элементов и частей вертостат соответствует классическому дирижаблю. Конструкция включает несущую оболочку, полужесткой или жесткой конструкции, кабину экипажа или гондолу с полезной нагрузкой, шасси, оперение, винтомоторную установку, где движителем, создающим горизонтальную тягу, является воздушный винт, а в качестве источников мощности могут быть использованы различные типы двигателей (например, поршневые или газотурбинные двигатели, электродвигатели).
[6]Управление полетом вертостата осуществляется с помощью изменения положения рулевых поверхностей, изменения величины и направления вектора тяги несущего винта, регулированием режима работы маршевой винтомоторной установки, а также изменением плотности несущего газа или его температуры внутри несущей оболочки аппарата.
[7]Известно устройство вертостата (патент РФ №2553512 от 14.02.2014 г.), предусматривающее установку автожирного винта в верхней части образующей оболочки так, чтобы линия действия подъемной силы тяги при полетном угле атаки по отношению к набегающему потоку проходила через центр тяжести вертостата или была близка к нему. При таком решении нет возможности дополнительного увеличения грузоподъемности вертостата за счет включения в его несущую схему положительной составляющей подъемной силы, которую можно было бы получить с площади заднего горизонтального оперения. В данной схеме заднее горизонтальное оперение стабилизирует линию пути или, по командам системы управления, создает разнонаправленные моменты на пикирование или кабрирование.
[8]Вертостат, описанный в патенте РФ №2553512 от 14.02.2014 г., является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве прототипа.
[9]Задачей изобретения является включение несущих возможностей заднего горизонтального оперения в создание полной подъемной силы вертостата, в том числе на малых и нулевых поступательных скоростях полета.
[10]Задача изобретения решается тем, что предложено устанавливать несущий винт в носовой части вертостата над установленной впереди кабиной экипажа, а заднее горизонтальное оперение снабдить рулем-закрылком и обдувать его поверхности воздушным потоком от тянущих маршевых винтов.
[11]Технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
[12]- с целью уменьшения потребного объема несущего газа, несущий винт и кабина установлены в носовой части вертостата, а заднее горизонтальное оперение снабжено возможностью частичного уравновешивания своей подъемной силой момента подъемной силы тяги несущего винта относительно центра тяжести.
[13]- с целью получения наибольшей подъемной силы заднего горизонтального оперения на малых и нулевых поступательных скоростях взлета и посадки, перед оперением установлены тянущие маршевые винты, воздушный поток от которых имеет возможность обдувать поверхности заднего горизонтального оперения и отклоняться вниз на угол, заданный положением рулей-закрылков.
[14]- конструкция рулей-закрылков заднего горизонтального оперения снабжена способностью выполнять функции руля высоты в маршевом полете.
[15]На Фиг. 1 показана схема компоновки вертостата.
[16]На Фиг. 2 изображен момент взлета вертостата предложенной схемы.
[17]Устройство вертостата с несущим винтом по Фиг. 1 и Фиг. 2 включает:
[18]Несущую оболочку (1), носовую кабину для экипажа и полезной нагрузки (2), киль (3), маршевую винтомоторную установку (4), установленную перед задним горизонтальным оперении (5) с рулем-закрылком (6), несущий винт (7), смонтированный на кабане (8) в носовой части вертостата над кабиной.
[19]На Фиг. 1 и Фиг. 2 дополнительно обозначены:
[20]- Вектор силы веса G вертостата;
[21]- Вектор силы тяги Т, создаваемой винтомоторной установкой;
[22]- Вектор полной аэродинамической силы, создаваемой несущим винтом R;
[23]- Вектор тянущей силы несущего винта Р;
[24]- Вектор направления скорости взлета Vвзл;
[25]- Вектор подъемной силы несущего винта Y1;
[26]- Вектор аэростатической подъемной силы несущей оболочки Y2;
[27]- Вектор подъемной силы заднего горизонтального оперения Y3;
[28]- Вектор аэродинамической подъемной силы корпуса оболочки Y4;
[29]- Положение центра объема корпуса оболочки ЦО;
[30]- Положение центра тяжести аппарата ЦТ.
[31]Вертостат проектируется так, чтобы 70-80% веса конструкции компенсировалось аэростатической подъемной силой несущего газа в оболочке (1), а оставшиеся 20-30% - подъемной силой несущего винта (7) и подъемной силой заднего горизонтального оперения (5) в долях, примерно пропорциональных их удалению от центра объема (ЦО) несущей оболочки (1). При этом большая часть подъемной силы тяги несущего винта (7) (с запасом на управление) рассчитывается на компенсацию веса экипажа с полезным грузом, располагающимся в кабине (2) под несущим винтом, а большая часть подъемной силы заднего горизонтального оперения (5), на компенсацию полетного запаса топлива, помещенного в топливный бак непосредственно под горизонтальным оперением или в его кессоне.
[32]За кабиной (2) устанавливается дополнительный балластный топливный бак, который используется при перегоночных полетах, полетах на максимальную дальность, а также для повышения устойчивости вертостата на стоянке и для корректировки центровки в полете. Таким образом, на стоянке вертостат без топлива на борту оказывается на 20-30% тяжелее воздуха, а при заправленном балластном топливном баке становится максимально перетяжеленным. Поэтому такой летательный аппарат не нуждается в причальной мачте и может использовать самолетные стоянки в обычных аэропортах. Причем в габаритах одной стоянки самолета, соразмерного по длине, может помещаться два, а в некоторых случаях даже три подобных вертостата.
[33]В предполетной конфигурации центр тяжести (ЦТ) полностью снаряженного и загруженного полезной нагрузкой вертостата будет находится впереди центра объема (ЦО), т.к. вес полезной нагрузки (пассажиры или груз), приходящийся на несущий винт (7), значительно превышает нагрузку от количества топлива в заднем баке у горизонтального оперения (5). Соответственно плечо от вектора подъемной силы тяги (Y1) до (ЦТ) будет всегда меньше плеча от подъемной силы (Y3) горизонтального оперения до (ЦТ).
[34]Устройство вертостата с несущим горизонтальным оперением работает следующим образом (Фиг. 1, 2):
[35]В состоянии перед взлетом (Фиг. 1) вертостат снаряжен, задний топливный бак заправлен топливом в соответствии с заданием на полет, экипаж и пассажиры находятся на своих местах в кабине (2).
[36]После запуска маршевых двигателей (4) и выруливания к месту старта экипаж затормаживает колеса, выпускает рули-закрылки (6) заднего горизонтального оперения (5) на 30-35 градусов, включает устройство предварительной раскрутки автожирного несущего винта (7) и доводит его обороты до значения, в 1,3 раза превышающего полетные обороты. Затем маршевые двигатели (4) выводятся на взлетный режим, выключается устройство предварительной раскрутки несущего винта (7) и растормаживаются колеса. Вертостат начинает движение, автодинамическая втулка несущего винта (7) сразу после отключения устройства предварительной раскрутки автоматически увеличивает общий шаг лопастей, вертикальная составляющая тяги (Y1) резко возрастает и винт поднимает нос вертостата. Одновременно с подъемом носовой части вертостата на заднем горизонтальном оперении (5) за счет угла отклонения рулей-закрылков (6) и роста угла кабрирования возрастает вертикальная составляющая подъемной силы (Y3), которая складывается с аэростатической подъемной силой объема оболочки (Y2) и с вертикальной составляющей тяги винта (Y1).
[37]В момент превышения величины полной подъемной силой (Y1+Y2+Y3) фактического взлетного веса вертостата он отрывается от земли и переходит в набор высоты с быстрым увеличением поступательной скорости (Фиг. 2). В процессе расходования кинетической энергии вращения обороты винта снижаются. Одновременно автодинамическая втулка уменьшает шаг лопастей до состояния, когда за счет энергии набегающего потока обороты винта сохраняются на уровне полетных. С ростом скорости (Vвзл) появляется и растет аэродинамическая подъемная сила корпуса вертостата (Y4). Изменением угла атаки несущего винта (7) и уменьшением угла выпуска рулей-закрылков (6) экипаж балансирует вертостат в продольной плоскости и стабилизирует его на траектории набора высоты. После перехода в горизонтальный полет рули-закрылки (6) полностью убираются, оставаясь в режиме работы рулей высоты. Полет продолжается на крейсерской скорости.
[38]Во время снижения в район посадки крейсерская конфигурация вертостата сохраняется. При этом поступательная скорость снижения и крейсерская скорость почти не отличаются.
[39]Перед входом в траекторию приземления экипаж выпускает рули-закрылки (6) заднего горизонтального оперения (5) на 30-35 градусов, выводит двигатели (4) на повышенный режим и непосредственно перед приземления энергично увеличивает угол атаки несущего винта (7). За счет этого обороты и подъемная сила тяги винта (Y1) резко возрастают, угол кабрирования увеличивается. Одновременно, при увеличении угла кабрирования, возрастает составляющая подъемной силы (Y3) заднего горизонтального оперения. Поступательная скорость вертостата гасится, и он плавно приземляется на посадочную площадку практически без пробега.
[40]В случае необходимости, с высоты нескольких метров, вертостат может прервать процесс посадки и, увеличив режим двигателей (4) до взлетного, без просадки уйти в набор высоты или осуществить полет вблизи земли на минимальной скорости 35-40 км/ч.
[41]Эффект от включения заднего горизонтального оперения в число элементов вертостата, создающих подъемную силу, проявляется прежде всего в уменьшении потребного объема несущего газа в оболочке.
[42]Для сравнения, хорошо спроектированному современному классическому дирижаблю Zeppelin NT, перевозящему 12 пассажиров и два члена экипажа, потребовался объем оболочки 8425 м3. Вертостату с носовым автожирным винтом и несущим задним горизонтальным оперением для перевозки 12 пассажиров и двух членов экипажа достаточно иметь объем оболочки 1050 м3, т.е. в 8 раз меньше. В 4,2 раза уменьшается парусность, что в сочетании с высокой эффективностью управления, достигаемого за счет больших плеч составляющих подъемных сил горизонтального оперения и несущего винта, обеспечивает вертостату предложенной схемы уникальные взлетно-посадочные характеристики, в том числе в присутствии ветра.
[43]Устройство вертостата с несущим горизонтальным оперением позволило:
[44]- реализовать дополнительный источник подъемной силы за счет использования несущих возможностей заднего горизонтального оперения;
[45]- максимально уменьшить потребный объем несущего газа в оболочке;
[46]- сократить габаритные размеры несущей оболочки;
[47]- повысить маневренность и управляемость за счет снижения парусности и больших плеч составляющих подъемных сил горизонтального оперения и несущего винта.
