Летательный аппарат

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Москаленко Виктор Иванович(72) Автор Москаленко Виктор Иванович(73) Патентообладатель Москаленко Виктор Иванович(57) Летательный аппарат, содержащий устройство для создания потока газов, воздухозаборный канал и рулевые щитки, отличающийся тем, что содержит купол, с внутренней стороны которого в верхней части установлено устройство для создания потока газов, при этом газоподающая часть устройства для создания потока газов расположена с внутренней стороны купола у его вершины так, что исходящий из нее поток газов направлен на внутреннюю поверхность купола, в центре которого расположен воздухозаборный канал устройства для создания потока газов рулевые щитки, выполненные в виде рулевых щитков направления полета, установлены диаметрально противоположно через равные промежутки по периметру нижней образующей купола, а рулевые щитки поворота летательного аппарата вокруг своей оси установлены диаметрально противоположно с внутренней стороны купола. 14983 1 2011.10.30 Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертолетостроению и самолетостроению, и может быть использовано в качестве средства для перевозки пассажиров и грузов, для авиаразведки, поисково-спасательных и строительно-монтажных работ, в спортивной авиации и в других отраслях, пользующихся услугами авиации, а также может быть использовано в ракетостроении - в части применения нового принципа создания реактивной тяги, положенного в основу создания подъемной силы заявленного летательного аппарата. Известен аналог - аппарат вертикального взлета и посадки патент 2198113 2,МПК 64 29/00, 27/20, 2003, содержащий привод с движителем (центробежный вентилятор с кольцевым экраном) вертикальной тяги, двигатель, рулевые щитки и кабину для размещения пилота, пассажиров и груза. Недостатком аналога является низкий коэффициент полезного действия (КПД) его движителя вертикальной тяги, по причине высокого аэродинамического сопротивления кольцевого экрана, изменяющего направление воздушного потока, идущего от центробежного вентилятора. Недостатком аналога также является его низкая безопасность из-за малой устойчивости в полете, по причине близкого расположения центра тяжести относительно центра приложения подъемной силы, а также низкие планирующие качества его конструкции, по причине отсутствия соответствующего аэродинамического профиля, позволяющего создавать эффект подъемной силы при движении аппарата в воздушном потоке, что не позволяет производить безопасный аварийный спуск аппарата при отказе двигателя. Известен прототип - летательный аппарат патент 2172705 2, МПК 64 29/00,2001,содержащий привод с вентиляторами и двигателем, рулевые щитки и кабину для размещения пилота, пассажиров и груза. Недостатком прототипа является низкий КПД его движителя, создающего подъемную силу, из-за противодействия друг другу воздушных потоков, идущих от противоположно расположенных вентиляторов, являющихся, совместно с приводящим их в движение двигателем внутреннего сгорания, воздуходувной силовой установкой. Недостатком прототипа является и его низкая безопасность при аварийном спуске в случае отказа силовой установки, по причине низкой устойчивости летательного аппарата в полете из-за близкого расположения центра его тяжести к центру приложения подъемной силы. Задачей изобретения является получение высокого КПД использования мощности двигателя на создание подъемной силы, а также получение высоких летных качеств аппарата при одновременном упрощении его конструкции и повышении безопасности полета,в сравнении с другими летательными аппаратами тяжелее воздуха, с вертикальным взлетом и посадкой. Задача достигается тем, что в летательном аппарате, содержащем устройство для создания потока газов в форме веера с замкнутой окружностью, в роли которого могут служить привод (поршневой, роторный либо воздушно-реактивный двигатели внутреннего сгорания) с центробежным вентилятором, либо другие, соответствующие требованиям,виды двигателей, с газоподающим сопловым аппаратом кольцевой формы, а также содержащем рулевые щитки и кабину для размещения пилотов, пассажиров, либо устройств автоматического управления летательным аппаратом - при беспилотном варианте, а также содержащем грузовой и технический отсеки, согласно техническому решению дополнительно введен купол. При этом установленная в верхней части купола газоподающая часть устройства для создания потока газов расположена так, что выходящие из нее потоки газов, в форме веера с замкнутой окружностью, направлены в сторону внутренней поверхности купола. В конструкцию летательного аппарата может также быть включен обтекатель, расположенный с наружной стороны купола, с отсеком для парашюта аварийной посадки летательного аппарата и другими отсеками функционального назначения,включая и вариант с кабиной. 2(В качестве роторного двигателя внутреннего сгорания летательного аппарата может быть применен роторный двигатель внутреннего сгорания - заявка 20060847 от 2006.08.18, регистрация изобретения в Государственном реестре изобретений Республики Беларусь (патент) под 13183 от 2010.02.04, автор изобретения Москаленко В.И. В качестве воздушно-реактивного двигателя летательного аппарата может быть применен двухконтурный газотурбинный двигатель - заявка 20080701 от 2008.05.30, регистрация изобретения в Государственном реестре изобретений Республики Беларусь(патент) под 13351 от 2010.03.26, автор изобретения Москаленко В.И.). Сущность заявленного летательного аппарата поясняется чертежами, где изображено фиг. 1 - вид на летательный аппарат сбоку фиг. 2 - вид А на фиг. 1 (вид на летательный аппарат сзади) фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 (вид на летательный аппарат сверху) фиг. 4 - вид сбоку на летательный аппарат с открытым аварийным парашютом фиг. 5 - вариант компоновки летательного аппарата с расположением кабины и других функциональных устройств в отсеках верхнего обтекателя фиг. 6 - схема сил действующих на внутреннюю обшивку купола летательного аппарата при воздействии на нее потока газов, вырабатываемых устройством для создания потока газов фиг. 7 - вид Г на фиг. 6 (схема расположения активной площади внутренней обшивки купола, принимающей участие в создании подъемной силы летательного аппарата). Конструкция летательного аппарата (фиг. 1, 2, 3, 4) состоит из купола 1, к которому при помощи рамы 2, по центру, с внутренней стороны купола 1, подвешена кабина 3, служащая для размещения пилота, пассажира и грузов. В верхней части кабины 3 установлен двигатель (двигатели) 4 внутреннего сгорания, закрепленный к кабине 3 при помощи рамы 5. На валу 6 отбора мощности двигателя (двигателей) 4 закреплен центробежный вентилятор 7, одной стороной соосно помещенный в воздухозаборный канал 8, выполненный в центре купола 1, а другой стороной обращенный к двигателю (двигателям) 4. При этом двигатель (двигатели) 4 в собранном виде с центробежным вентилятором 7 являются устройством (позиции 4, 7) для создания потока газов в форме веера с замкнутой окружностью. Двигатель (двигатели) 4 внутреннего сгорания закрыт капотом 9, имеющим по периметру воздухозаборные окна 10, служащие для охлаждения двигателя (двигателей) 4. С наружной стороны к куполу 1, по центру воздухозаборного канала 8 закреплен обтекатель 11 при помощи пилонов 12, равномерно расположенных по периметру обтекателя 11 и воздухозаборного канала 8. Внутри обтекателя 11 размещаются локатор 13 и парашютный отсек 14, с парашютом 15 аварийной посадки летательного аппарата, для раскрытия которого верхняя часть обтекателя 11 выполнена из двух шарнирно закрепленных створок 16. На вершине обтекателя 11, к одной из створок 16, закреплена антенна 17 с датчиком 18 статического давления воздуха и датчиком 19 динамического давления воздуха, при этом шарнирное крепление (не показано) датчика 19 имеет две степени свободы вращения для ориентации его по направлению полета. Для предотвращения попадания птиц в воздухозаборный канал 8, между обтекателем 11 и куполом 1, установлено сетчатое ограждение 20. С внутренней стороны купола 1 диаметрально противоположно установлены два рулевых щитка 21 поворота летательного аппарата вокруг своей оси. Для управления рулевыми щитками 21 поворота в кабине 3 установлены две педали 22. По периметру нижней образующей купола 1 диаметрально противоположно, через равные промежутки, установлены шесть рулевых щитков 23 направления полета. Для управления рулевыми щитками 23 в кабине 3 установлен штурвал 24. Кабина 3 также оборудована креслом 25 пилота,креслом 26 пассажира, двумя дверями 27, багажником 28 для перевозки грузов, для доступа в который с задней стороны кабины 3 имеется люк 29. С нижней стороны кабины 3 шарнирно закреплены четыре складывающихся опоры 30. Внутри кабины 3, напротив кресла 25 пилота, установлена приборная панель 31. 3 14983 1 2011.10.30 На фиг. 5 изображен вариант летательного аппарата с расположением кабины 32 по центру с наружной стороны купола 33. С внутренней стороны купола 33 расположен двигатель (двигатели) 34 внутреннего сгорания, приводящий в движение центробежный вентилятор 35, расположенный в верхней части купола 33 симметрично его оси. При этом двигатель (двигатели) 34 внутреннего сгорания в собранном виде с центробежным вентилятором 35 являются устройством (позиции 34, 35) для создания потока газов в форме веера с замкнутой окружностью. Работа летательного аппарата (фиг. 1, 2) осуществляется в результате действия подъемной силы на внутреннюю поверхность купола 1, получаемой в результате обтекания этой поверхности газовыми потоками, создаваемыми устройством для создания потока газов (позиции 4, 7). Выбор режима парения, подъема, либо спуска летательного аппарата,производится посредством увеличения либо уменьшения подъемной силы, получаемой в результате давления потока газов на внутреннюю поверхность купола 1. В свою очередь сила давления потока газов на внутреннюю поверхность купола 1, создаваемых устройством для создания потока газов 4, 7, задается двигателем (двигателями) 4 внутреннего сгорания, посредством изменения его мощности. Горизонтальное перемещение летательного аппарата обеспечивается посредством создания боковых усилий действующих на купол 1, возникающих в результате изменения направления потока газов, идущих от устройства для создания потока газов 4, 7, при отклонении рулевых щитков 23 направления полета. Разворот летательного аппарата (фиг. 1, 2) вокруг оси(фиг. 6) обеспечивается отклонением рулевых щитков 21 (фиг. 1) поворота. Отклонение рулевых щитков 21 поворота изменяет баланс сил, определяющих равновесное состояние летательного аппарата относительно оси его симметрии(фиг. 6). В результате отклонения направления потока газов, создаваемых устройством для создания потока газов 4, 7, рулевыми щитками 21 поворота, в сторону касательной воображаемой окружности, центром которой является ось симметрии(фиг. 6) летательного аппарата, создается крутящий момент,разворачивающий летательный аппарат (фиг. 1, 2) вокруг оси(фиг. 6). Принцип получения подъемной силы на летательном аппарате, изображенном на фиг. 5, аналогичен принципу получения подъемной силы на летательном аппарате изображенном на фиг. 1. При этом на фиг. 6 изображен контур летательного аппарата, показанного на фиг. 5, с двигателем 34 внутреннего сгорания, с центробежным вентилятором 35, и куполом 33, где на его примере приведена раскладка сил, получаемых в результате давления газового потока на купол 33, производимого устройством для создания потока газов - позиции 34, 35. Исходя из условия симметрии конструкции купола 33 и симметричного расположения устройства для создания потока газов - позиции 34, 35, относительно их общей оси симметрии(фиг. 6), поток газов, вырабатываемый устройством для создания потока газов - позиции 34, 35, выбрасывается в форме веера с замкнутой окружностью с силой потока (фиг. 6) в направлении векторов потока, то есть перпендикулярно оси симметрии . При соприкосновении потока газов с внутренней обшивкой купола 33 криволинейной формы, осью симметрии которой является ось , газовый поток будет также иметь симметричное искривление линий тока газовых струй относительно оси симметрии , направленных от устройства для создания потока газов (поз. 34, 35) вдоль внутренней обшивки купола 33. В результате искривления линий тока газовых струй, вдоль внутренней криволинейной поверхности купола 33, по радиусу купола, от точкидо точки , получаем разложение силы потока на составляющие скольжения, вектор которой направлен от точкик точке , и нормальное, вектор которой направлен под прямым углом к вектору скольжения. В результате симметрии искривления линий тока газовых струй,вдоль внутренней обшивки купола 33, получаем симметричную раскладку сил относительно оси симметрии . На этом основании будет правомерен параллельный перенос векторов нормальное до их соединения в точкена оси симметрии . В результате сложения векторов нормальное получаем равнодействующую составляющую подъемное, совпадаю 4 14983 1 2011.10.30 щую с осью симметриии направленную от точкик вершине купола. При несимметричном отклонении рулевых щитков 23 нарушается симметрия течения газового потока вдоль внутренней обшивки купола 33, что ведет к отклонению вектора подъемное от оси симметрии , в результате появляется момент реактивной силы, двигающий летательный аппарат по горизонтали. В зависимости от поставленных задач процесс пилотирования может включать в себя и ряд других вариантов поворота рулевых щитков 23. При отклонении рулевых щитков 21 поворота от флюгерного положения происходит отклонение направления движения газовых струй от их кратчайшего пути при движении от точкик точке , в результате чего появляется крутящий момент, направленный на вращение летательного аппарата вокруг оси симметрии . Для уравновешивания крутящего момента, действующего на вращение летательного аппарата вокруг оси , в результате истечения потока газов по касательной к линии окружности колеса (не показано) центробежного вентилятора, в конструкцию устройства для создания потока газов, летательных аппаратов (фиг. 1,5), входят спрямляющие аппараты (не показано). При этом нарушение баланса сил противодействующих крутящих моментов, при отклонении рулевых щитков 21 (фиг. 6) поворота, приводит к повороту летательного аппарата вокруг оси симметрии . Так как на момент подачи заявки на изобретение научные данные о действительном характере течения газов вдоль внутренней поверхности купола отсутствуют, то ограничимся приблизительными расчетами подъемной силы действующей на летательный аппарат, исключив из них коэффициенты потерь, предположив, что плотность и скорость потока газов у внутренней поверхности купола 33, при движении потока от точкик точке(фиг. 6), будут меняться незначительно, не смотря на то, что диаметр купола 33 в точкеменьше диаметра купола 33 в точке , где отсчет центра окружностей - ось симметрии . Такое допущение можно сделать на основании ограниченности размеров купола 33 при относительно большом объеме перемещаемых газов вдоль его внутренней поверхности. К данному допущению можно добавить и то, что в результате искривления линий тока газовых струй, действие центробежных сил на газовый поток, движущийся вдоль внутренней обшивки купола 33, будет направлено на его сжатие, то есть на сохранение его плотности на участке от точкидо точки , а плавное изменение направления потока на угол 90 градусов, по достаточно большому радиусу, не приведет к ощутимым аэродинамическим потерям. По этой же причине энергетические потери на перемещение потока газов вдоль купола, при движении летательного аппарата в атмосфере на дозвуковых скоростях полета, за линией тока газовых струй истекающих из устройства для создания потока газов (позиции 34, 35 фиг. 6), будем считать незначительными. Минимальными будем считать и энергетические потери на трение потока газов об обшивку летательного аппарата, при условии изготовления обшивки купола 33, как и всего летательного аппарата, с высокими аэродинамическими показателями, что является одним из факторов получения высокого КПД преобразования энергии потока газов в подъемную силу (подъемное) летательного аппарата. Практически основное значение в создании подъемной силы летательного аппарата, наряду с площадью активной внутренней поверхности купола 33 и его формой, играют плотность и скорость течения газового потока движущегося непосредственно у границы активной внутренней поверхности купола 33. Исходя из условия, что при движении потока газов вдоль внутренней обшивки купола 33 (фиг. 6) количество движения не меняется по величине, но меряется по направлению(принимаем в качестве исходных данных, для рассмотрения задачи, изменение направления движения потока газов на 90 градусов), то так как за единицу времени из устройства для создания потока газов (поз. 34, 35) выбрасывается масса , которая практически равна массе газа в начале искривления линии тока газовых струй, по причине искривления купола в непосредственной близости от места выхода потока газов из устройства для создания потока газов (см. точкуна фиг. 6), то приносимое этой массой количество дви 5 14983 1 2011.10.30 жения будет равно 11, где 1 -вектор скорости течения газа в начале (см. точку) искривления линии тока газовых струй, численно равный заданной скорости , полученной на выходе из устройства для создания потока газов (поз. 34, 35),- площадь кольцевого окна (не обозначено), через которое выбрасывается поток газа из устройства для создания потока газов (поз. 35),- плотность потока газов, выбрасываемых устройством для создания потока газов (поз. 34, 35). Если пренебречь незначительными потерями энергии во внутреннем объеме купола 33 (вихреобразование и.т.д.), расположенном за линиями тока газовых струй, и трением газовых струй о внутреннюю обшивку купола, то за одно и то же время в конце линии тока газовых струй (см. точку ) будет уноситься количество движения 2, равное 1, при этом 21112, где 2 - вектор скорости газовых струй в точке , численно равный скорости газового потока 1 в точке , 1 - плотность потока газов в точке , 1 - площадь газовых струй с плотностью 1 у внутреннего периметра купола 33 в точке . При условии, когда активная поверхность купола 33, вызывающая искривление линий тока газовых струй, заключена между точкамии , площадь проекции активной поверхности - пр. (вид Г фиг. 7) - является одной из определяющих величин в создании подъемной силы летательного аппарата. Так как изменение количества движения равно импульсу силы , действующей со стороны активной внутренней поверхности купола 33 на газ, а плотность потока газа и его скорость, в процессе движения от точкик , предположительно меняются незначительно, то в результате(1)/2 пр (1)/2 (12), гдеи 1,и 1 приблизительно равны. Тогда равнодействующая суммы сил нормальное, симметрично направленных от осипод углом , будет являться подъемной силой. В результате формула подъемной силы примет следующее выражение подьемная(1)/2 пр. (1)/22 2. Так как по третьему закону Ньютона с той же силой газ действует на внутреннюю площадь купола 33, то эта сила направлена в противоположную сторону, то есть от точки(фиг. 6) к вершине купола. Практически, при расчете подъемной силы летательного аппарата и других его летных характеристик, коэффициенты потерь будут зависеть от выбора конструкции купола 33,ряда рабочих характеристик устройства для создания потока газов (поз. 34, 35) и других составляющих элементов его конструкции, влияющих на аэродинамические характеристики летательного аппарата в целом, где увеличение положительного эффекта подъемной силы будет достигаться по мере уменьшения плотности атмосферы, то есть с увеличением высоты полета летательного аппарата, теоретический максимум которого достигается при отсутствии действия внешних сил, то есть в вакууме космического пространства. Предполагаемый технико-экономический эффект от применения летательного аппарата заключается в том, что в результате введения в его конструкцию купола, уменьшается расход топлива на единицу получаемой реактивной тяги, в сравнении с аналогом и прототипом. В результате упрощения конструкции летательного аппарата, по сравнению с конструкциями действующих летательных аппаратов тяжелее воздуха, вертикального взлета и посадки, предположительно уменьшится и стоимость заявленного летательного аппарата, при равной его грузоподъемности. Предположительно повысится и безопасность полета на летательном аппарате, в случае отказа его устройства для создания потока газов, в сравнении с безопасностью полета на действующих летательных аппаратах тяжелее воздуха, вертикального взлета и посадки,при подобной аварийной ситуации. Данное положительное качество обеспечивается за счет парашютирующих свойств купола и дополнительно введенного парашюта аварийной посадки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9