Вертолёт продольной схемы (патент RU2407675) и проект вертолёта Ка-102 (Россия)

Изобретение относится к области авиастроения, а именно к винтокрылым летательным аппаратам вертикального взлета и посадки.

Известен вертолет продольной схемы (Изаксон A.M. «Советское вертолетостроение», издательство «Машиностроение», Москва, 1964 г.), который состоит из фюзеляжа, несущих винтов с шарнирным креплением лопастей, системы управления лопастями несущих винтов, выполненной в виде командных рычагов управления в кабине пилота, соединенных посредством проводки управления с автоматами перекоса и лопастями, двигателей для привода несущих винтов.

На известном вертолете лопасти несущих винтов прикреплены к втулкам посредством горизонтальных и вертикальных шарниров. Система управления лопастями несущих винтов выполнена в виде командных рычагов управления в кабине пилота, соединенных посредством проводки управления с автоматами перекоса и лопастями. Для движения вертолета в горизонтальном направлении несущие винты с помощью автоматов перекоса наклоняются вперед и создают не только подъемную силу, но и пропульсивную, направленную вперед для преодоления вредного сопротивления вертолета. Возникающие по мере роста скорости полета и увеличения угла наклона несущих винтов вперед явления срыва потока на лопастях приводят к снижению несущей способности несущих винтов и аэродинамического качества вертолета, к чрезмерному росту нагрузок и напряжений в системе управления, что не допускает дальнейшего увеличения скорости полета. Кроме того, увеличивается наклон вперед фюзеляжа вертолета, приводящий к дополнительному росту вредного сопротивления, что также существенно ограничивает возможности увеличения максимальной скорости полета.

Технической задачей заявляемого технического решения является повышение аэродинамического качества вертолета и увеличение максимальной скорости полета.

Поставленная техническая задача достигается тем, что вертолет продольной схемы, содержащий фюзеляж, несущие винты, к втулкам которых прикреплены лопасти, систему управления лопастями несущих винтов, состоящую из командных рычагов управления в кабине пилота и проводки управления, соединенной с лопастями, автопилот и двигатели для привода несущих винтов, дополнительно снабжен не менее чем двумя воздушными винтами, установленными симметрично относительно продольной оси фюзеляжа с возможностью изменения общего шага как совместно, так и дифференциально, система управления вертолетом снабжена устройством, изменяющим частоту вращения несущих винтов, лопасти закреплены на втулках несущих винтов жестко, а автопилот выполнен с функцией стабилизации горизонтального положения фюзеляжа.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен вертолет продольной схемы, вид сбоку, на Фиг.2 изображен вертолет продольной схемы, вид сверху, на Фиг.3 изображена схема управления вертолетом.

Вертолет продольной схемы содержит фюзеляж 1, на котором установлены несущие винты 2 и двигатели 3. К втулкам 4 несущих винтов 2 жестко прикреплены лопасти 5. На фюзеляже симметрично относительно продольной оси установлено не менее двух воздушных винтов 6 с приводом от двигателей 3. На вертолете в системе управления установлено устройство для изменения частоты вращении несущих винтов 7 (Фиг.3). Система управления состоит из командных рычагов управления 8 в кабине пилота и автопилота 9, которые соединены посредством проводки управления 10 с лопастями 5 несущих винтов 2. Кроме того, рычаги управления 8 соединены с устройством для изменения общего шага воздушных винтов 11, которое, в свою очередь, соединено с воздушными винтами 6. Автопилот 9 соединен также с устройством дифференциального управления общим шагом несущих винтов 12 и лопастями 5 с целью стабилизации горизонтального положения фюзеляжа.

При вертикальном взлете практически вся потребная для взлета мощность передается от двигателей 3 на несущие винты 2, которые вращаются со взлетной частотой. Углы общего шага воздушных винтов 6 устанавливаются пилотом с помощью рычагов управления 8 таким образом, чтобы эти винты не создавали силы тяги. Разгон вертолета продольной схемы вперед с режима висения может выполняться одним из способов: «по-вертолетному» или «по-самолетному». Например, для разгона «по-вертолетному» пилот отклонением рычагов управления 8 создает на несущих винтах 2 продольные моменты на пикирование, вследствие чего фюзеляж 1 вертолета продольной схемы наклоняется вперед вместе с несущими винтами 2, которые при этом и создают горизонтальную составляющую силы. По мере увеличения скорости полета в создание горизонтальной силы вступают воздушные винты 6, углы общего шага которых по команде пилота посредством рычагов управления 8 и устройства для изменения шага лопастей воздушных винтов 11 увеличиваются, и при достижении определенной скорости (≈200 км/ч) всю силу для продвижения вперед создают только воздушные винты 6, а несущие винты 2 обеспечивают только потребную подъемную силу («самолетный» режим полета). В этом случае практически вся мощность двигателей 3 передается уже на воздушные винты 6. При этом частота вращения несущих винтов 2 с целью повышения аэродинамического качества вертолета продольной схемы уменьшается на 20-30% с помощью устройства для изменения частоты вращения несущих винтов 7. Высокое аэродинамическое качество несущих винтов 2 (в два с лишним раза превышающее соответствующую величину обычного, «шарнирного» винта) возможно благодаря жесткому креплению лопастей 5 несущих винтов 2 к втулкам 4. Уменьшение частоты вращения несущих винтов 2 происходит автоматически с участием автопилота 9. В случае необходимости разворота по курсу по команде пилота через отклонение рычагов управления 8 величины общего шага воздушных винтов 6 изменяются с помощью устройства для изменения шага лопастей воздушных винтов 6 дифференциально, то есть с увеличением шага на одном из винтов и с соответствующим уменьшением шага на другом. Создаваемый таким образом путевой момент разворачивает вертолет продольной схемы в нужную сторону. На каждом режиме полета «по-самолетному», характеризующемся барометрической высотой и скоростью полета, автопилот 9 через устройство дифференциального управления общим шагом несущих винтов 12 обеспечивает горизонтальное положение фюзеляжа 1, чем достигается минимальное сопротивление вертолета продольной схемы, что также положительно сказывается на аэродинамическом качестве несущих винтов 2 и вертолета продольной схемы в целом.

Вертолет продольной схемы, содержащий фюзеляж, несущие винты, к втулкам которых прикреплены лопасти, систему управления лопастями несущих винтов, состоящую из командных рычагов управления в кабине пилота и проводки управления, соединенной с лопастями, автопилот и двигатели для привода несущих винтов, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен не менее чем двумя воздушными винтами с приводом от двигателей, установленными симметрично относительно продольной оси фюзеляжа с возможностью изменения общего шага как совместно, так и дифференциально, система управления вертолетом снабжена устройством, изменяющим частоту вращения несущих винтов, лопасти закреплены на втулках несущих винтов жестко, а автопилот выполнен с функцией стабилизации горизонтального положения фюзеляжа.

Авторы патента: Михеев Сергей Викторович (RU) , Носов Сергей Викторович (RU) , Аникин Виктор Андреевич (RU) , Квоков Вадим Николаевич (RU)

Владелец патента: Открытое акционерное общество "Камов" (RU)

Источник — http://www.findpatent.ru/

А теперь смотрим сюда (кажись это из одного сундучка) :

Мы нашли ряд новых приложений технологии скоростных вертолетов. Это демонстрирует идея скоростного вертолета продольной схемы Ка-102, которую мы впервые демонстрируем на МАКС-2009. Предлагаемый нами новый проект Ка-102 предусматривает применение бесшарнирных жестких несущих винтов и отдельных движителей для обеспечения горизонтальной скорости.

Один несущий винт размешается в передней части фюзеляжа, а вращающийся в противоположную сторону второй — в задней. Таким образом возникающие моменты у Ка-102 будут восприниматься фюзеляжем, как, например, у строившегося когда-то транспортного вертолета Яковлева Як-24 или продолжающегося выпускаться и поныне американского «Чинука». Но в отличии от «Чинука», наш Ка-102 сможет летать гораздо быстрее – благодаря тем же, в целом, техническим решениям, а именно бесшарнирным жестким несущим винтам с новыми принципами управления и дополнительным винтовым движителям для обеспечения горизонтальной составляющей скорости. По нашим расчетам, Ка-102 сможет иметь скорость до 500 км/ч. При этом он будет перевозить до 80-90 пассажиров, имея взлетную массу порядка 30 т. Имеющий компактные размеры соосный вертолет хорош для перевозки относительно небольшого числа пассажиров и грузов (в нашем случаи – до 30 человек). А продольная схема позволяет иметь более длинный фюзеляж, в котором с комфортом разместится значительно большее количество пассажиров.

Силовая установка Ка-102 — это два газотурбинных двигателя, которые посредством трансмиссии приводят во вращения оба несущих винта, а так же два тянущих воздушных винта (нечто подобное нами уже было реализовано полвека назад на знаменитом винтокрыле Ка-22, который, правда, выполнялся по поперечной схеме и мог летать со скоростью 350 км/ч). Таким образом, философия такова :жесткий бесшарнирный несущий винт и отдельные винтовые движители для обеспечения поступательного полета.

Я уже говорил, что нами, например, рассматривается вопрос управления оборотами несущего винта: на этапах вертикального взлета они должны быть максимальными, обеспечивая наибольшую подъемную силу, а при полете с высокой скоростью, для предотвращения попадания наступающей лопасти в режим околозвукового обтекания, их нужно уменьшать. Кроме того, в перспективе предстоит перейти к более сложным законам управления лопастями несущего винта – привычное циклическое изменение шага, изобретенное еще в начале прошлого века нашим великим соотечественником профессором Б.Н.Юрьевым и нашедшее практическое применение в виде автомата перекоса на всех ныне летающих вертолетах, может быть дополнено более сложными алгоритмами, вычисляемыми в каждый момент времени бортовыми компьютерами. Подобное управление несущим винтом позволит лопастям в каждой точке диска занимать наиболее выгодное положение по углу атаки, обеспечивая наилучшие аэродинамические характеристики. В качестве летающей лаборатории для отработки таких решений вполне подойдет, например, самый скоростной из наших сегодняшних вертолетов – Ка-50 (максимальная скорость при полете со снижением – до 350 км/ч), который посредством установки дополнительных движителей (например, турбореактивных двигателей в районе крыла) можно будет разогнать еще на 100-150 км/ч.Если же заглянуть еще дальше, то, думаю, не все резервы исчерпаны. Вертолет в будущем сможет летать и быстрее 500 км/ч. Однако если при 350-500 км/ч оптимальным средством обеспечения горизонтальной составляющей скорости вертолета является воздушный винт, то, скажем, при полете с 600-700 км/ч целесообразней будет иметь уже для этого двухконтурные турбореактивные двигатели. Чтобы летать еще быстрее, нужно будет уже убирать несущий винт. Проработки таких вертолетов мы делали уже довольно давно. Однако, вышесказанное – это пока еще весьма далекая перспектива. Пока же мы ведем речь о создании вертолета, способного летать со скоростью 450-500 км/ч. ОАО «Вертолеты России» определило эту задачу одной из важнейших тем перспективных НИОКР холдинга.

Из интервью главного редактора журнала "Взлёт" Андрея Фомина с генеральным конструктором ОАО «Камов» Сергеем Михеевым накануне выставки МАКС-2009

 

Оригинал взят у raigap в Вертолёт продольной схемы (патент RU2407675) и проект вертолёта Ка-102 (Россия)