Способ и устройство управления вертолетом

 

Изобретение относится к вертолетостроению и касается разработки способа и устройства управления вертолетом путем парирования крутящего момента несущего винта вертолета при осуществлении путевого управления. Вертолет имеет несущий винт, хвостовую балку, продольную щель управления циркуляцией, расположенную вдоль хвостовой балки, и реактивный двигатель системы управления, ориентированный по одной или обеим плоскостям заднего конца хвостовой балки. Первый канал служит для подачи первого воздушного потока вдоль хвостовой балки в упомянутую щель с помощью первого средства создания давления воздуха. Второй канал проходит вдоль хвостовой балки и ведет к вышеуказанному двигателю. Имеется второе средство для создания давления воздуха, которое служит для создания второго воздушного потока, протекающего по второму каналу под давлением, отличающимся от давления первого воздушного потока. Второй канал проходит вдоль центральной части хвостовой балки, а первый канал может являться, по существу, кольцевым каналом, охватывающим второй канал. Вышеуказанные первое и второе средства для создания давления воздуха могут выполняться в виде вентиляторов. Давление во втором потоке может быть ниже, чем давление в первом потоке. Вентиляторы могут иметь независимое управление. Технический результат реализации изобретения заключается в снижении энергетических затрат на управление вертолетом. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике управления вертолетом, более точно к способу парирования крутящего момента, сообщаемого несущему винту вертолета, а также к способу путевого управления вертолетом (по углу рыскания). Кроме того, настоящее изобретение касается устройства парирования крутящего момента несущего винта вертолета и его путевого управления.

Известен способ (патент США N 4948068) парирования крутящего момента несущего винта вертолета и его путевого управления путем регулирования циркуляции воздушного потока, обтекающего хвостовую балку вертолета, а также управления потоком воздуха, выбрасываемого реактивным двигателем малой тяги (струйным рулем) в поперечном направлении от боковой поверхности или поверхностей заднего конца хвостовой балки вертолета.

Заявитель полагает, что системы, в целом соответствующие вышеописанной системе, согласно патенту США N 4948068, являются весьма энергоемкими и потребляют больше энергии, чем обычный хвостовой (рулевой) винт вертолета.

Одна из вышеуказанных целей настоящего изобретения достигнута созданием способа управления вертолетом, у которого имеется несущий винт, хвостовая балка, имеющая противоположные боковые поверхности и задний конец, продольная щель управления циркуляцией, расположенная вдоль одной из боковых поверхностей хвостовой балки, и реактивный двигатель системы управления, ориентированный по одной или обеим плоскостям заднего конца хвостовой балки; означенный способ включает: создание первого воздушного потока при помощи первого средства (источника) давления; подачу первого воздушного потока по первому каналу вдоль хвостовой балки в щель управления циркуляцией; создание второго воздушного потока при помощи второго средства, первый и второй воздушные потоки отличаются друг от друга давлением воздуха.

Целесообразно, чтобы второй канал был, по существу, центральным каналом, проходящим вдоль центральной части хвостовой балки, и чтобы первый канал был, по существу, кольцевым каналом, охватывающим второй канал.

Предпочтительно, чтобы первый и второй каналы были расположены концентрически по отношению друг к другу по крайней мере в своей верхней (по ходу потока) части.

Согласно одному из вариантов способа в качестве первого и второго средств создания давления воздуха могут быть использованы вентиляторы, каждый из которых может иметь независимое управление.

Согласно другому варианту способа в качестве первого средства создания давления воздуха может служить кольцевое пространство по периферии вентилятора, а в качестве второго такого средства - центральная часть внутри кольцевого пространства, окружающего вентилятор.

Целесообразно, чтобы давление второго воздушного потока, подаваемого к реактивному двигателю системы управления вертолетом, было ниже давления первого воздушного потока, подаваемого в щель управления циркуляцией.

Другая из вышеуказанных целей изобретения достигнута созданием устройства парирования крутящего момента несущего винта вертолета и путевого управления означенного вертолета, у которого имеется несущий винт, хвостовая балка, имеющая противоположные боковые поверхности и задний конец, продольная щель управления циркуляцией, расположенная вдоль одной из боковых поверхностей хвостовой балки, а также реактивный двигатель системы управления, ориентированный по одной или обеим плоскостям заднего конца хвостовой балки; означенное устройство включает: первый канал, проходящий вдоль указанной хвостовой балки и ведущий к указанной щели управления циркуляцией; первое средство создания давления воздуха, предназначенное для создания первого воздушного потока, протекающего по указанному первому каналу при заданном давлении; второй канал, проходящий вдоль указанной хвостовой балки и ведущий к указанному реактивному двигателю системы управления; второе средство создания давления воздуха, предназначенное для создания второго воздушного потока, протекающего по указанному второму каналу под давлением, отличающимся от указанного заданного давления первого воздушного потока.

Целесообразно, чтобы второй канал был, по существу, центральным каналом, проходящим вдоль центральной части хвостовой балки, и чтобы первый канал был, по существу, кольцевым каналом, охватывающим второй канал.

Предпочтительно, чтобы первый и второй каналы были расположены концентрически по отношению друг к другу по крайней мере в своей верхней (по ходу потока) части.

Согласно одному из вариантов способа, в качестве первого и второго средств создания давления воздуха могут быть использованы вентиляторы, каждый из которых может иметь независимое управление.

Согласно другому варианту способа, в качестве первого средства создания давления воздуха может служить кольцевое пространство по периферии вентилятора, а в качестве второго такого средства - центральная часть внутри кольцевого пространства, окружающего вентилятор.

Целесообразно, чтобы первое и второе средства создания давления воздуха поддерживали давление второго воздушного потока ниже давления первого воздушного потока.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется примерами его выполнения и сопровождающими чертежами, на которых фиг.1 схематично изображает вертолет, в котором использовано устройство парирования крутящего момента несущего винта и путевого управления вертолетом по первому варианту согласно изобретению (вид сбоку); фиг. 2 схематично изображает вертолет, аналогичный вертолету по п. 1, снабженный устройством парирования крутящего момента несущего винта и путевого управления вертолетом по второму варианту, согласно изобретению (вид сбоку).

Фиг. 1 изображает вертолет (поз. 10), снабженный устройством парирования крутящего момента несущего винта вертолета и путевого управления вертолетом. Вертолет 10 имеет кабину летчика, пассажирский салон или грузовой отсек 12, несущий винт 14, расположенный над отсеком 12, хвостовую балку 16, являющуюся продолжением корпуса отсека 12. Хвостовая балка 16 имеет противоположные поверхности 18 и снабжена одним или несколькими вертикальными хвостовыми стабилизаторами (килями) 20, расположенными в концевой части хвостовой балки 16. Указанный вертикальный стабилизатор или стабилизаторы 20 могут быть управляемыми для осуществления управления вертолетом при поступательном полете.

Согласно изобретению вертолет 10 снабжен устройством парирования крутящего момента его несущего винта и путевого управления вертолетом, включающим внутренний цилиндр 22, расположенный внутри верхней (по ходу воздушного потока) части хвостовой балки 16 и образующий центральный продольный канал 24, проходящий внутри цилиндра 22, и наружный кольцевой канал 26, охватывающий внутренний цилиндр 22. Наружный кольцевой канал 26 является, по существу, первым каналом согласно изобретению, а центральный канал 24 является вторым каналом согласно изобретению. Первый канал 26 заканчивается кольцевой концевой пластиной 28. В другом варианте изобретения вместо пластины 28 может быть применен дроссель воздушного потока с целью лишь ограничить расход воздушного потока, не перекрывая наглухо выход канала 26. Ниже (по ходу воздушного потока) концевой пластины 28 внутренний цилиндр 22 переходит в обшивку фюзеляжа, образующую хвостовую балку 16, предпочтительно круглой цилиндрической формы.

Указанное устройство парирования крутящего момента и путевого управления вертолетом также содержит продольную щель 30 управления циркуляцией, расположенную вдоль верхней (по ходу потока) части хвостовой балки 16 и оканчивающуюся непосредственно перед концевой пластиной 28. Щель 30 управления циркуляцией сообщена с первым каналом 26.

Указанное устройство парирования крутящего момента и путевого управления вертолетом содержит реактивный двигатель малой тяги системы управления вертолетом, расположенный в задней концевой части хвостовой балки 16 и имеющий выхлопные сопла по обе стороны хвостовой балки 16. Одно из сопел (поз. 32), расположенное со стороны 18 хвостовой балки 16, показано на чертеже. Другое сопло двигателя системы управления является, по существу, зеркальным отображением сопла 32. Двигатель системы управления может быть ориентирован по отношению к одному или обоим соплам.

Указанное устройство парирования крутящего момента и путевого управления вертолетом в варианте, изображенном на фиг. 1, содержит также вентилятор 40, расположенный в верхнем конце (по ходу потока) хвостовой балки 16 непосредственно перед входным концом цилиндра 22 и имеющий наружную периферийную часть 34, соосную с первым кольцевым каналом 26, и внутреннюю часть 36, обращенную внутрь по отношению к наружной части 34. Указанная внутренняя часть вентилятора 40 соосна второму каналу 24. Вентилятор 40 имеет один или несколько воздухозаборников атмосферного воздуха.

Во время работы устройства вентилятор 40 создает первый воздушный поток с помощью своей наружной кольцевой части 34.

Указанный первый воздушный поток протекает по первому кольцевому каналу 26. Вентилятор 40 создает также второй воздушный поток с помощью своей внутренней части 36, который протекает по второму центральному каналу 24.

Конструкция вентилятора 40 и соответственно его кольцевой наружной части 34 и внутренней части 36 такова, что давление первого воздушного потока превосходит давление второго воздушного потока. Кроме того, номинальный относительный объемный расход каждого потока может быть задан исходя из расчетных критериев для средства управления циркуляцией и реактивного двигателя системы управления. Как правило, объемный расход первого воздушного потока меньше такового второго воздушного потока. Следует заметить, что конфигурация вентилятора 40 облегчает соответствие указанным расчетным критериям благодаря тому, что окружная скорость наружной кольцевой части 34 вентилятора 40 существенно выше окружной скорости его внутренней части 36. Далее следует отметить, что лопатки наружной кольцевой части вентилятора и его внутренней части могут в значительной степени отличаться по профилю. И, наконец, следует иметь в виду, что характеристики воздушных потоков могут изменяться, например, с изменением скорости вращения вентилятора, шага его лопаток, сопротивления потоку, оказываемого каналом, и т.д.

Во время работы устройства в щель 30 управления циркуляцией подается необходимое, относительно небольшое количество воздуха под необходимым относительно высоким давлением сравнительно с объемным расходом воздушного потока и давлением воздуха, требуемого реактивным двигателем системы управления. Таким образом, подача воздуха в щель 30 управления циркуляцией может быть оптимизирована. И наоборот, воздушный поток, подаваемый в двигатель системы управления, отличается относительно большим объемным расходом и относительно низким давлением в соответствии с расчетными данными указанного двигателя, которые могут быть оптимизированы независимо согласно изобретению.

Фиг. 2 изображает вертолет, аналогичный вертолету 10 на фиг. 1 и обозначенный поз. 110. Вертолет 110 включает, по существу, аналогичные компоненты и отличительные черты, что и вертолет 10, обозначенные теми же цифровыми позициями. По этой причине указанные компоненты и отличительные черты не описываются вновь, а основное внимание уделяется лишь единственному существенному различию между вышеуказанными вертолетами.

Устройство парирования крутящего момента несущего винта вертолета 110 и его путевого управления, изображенное на фиг. 2, снабжено двумя независимыми вентиляторами в отличие от одного вентилятора 40 вертолета 10 на фиг. 1, а именно вентилятором 134, сообщенным каналом 135 с наружным кольцевым каналом 26 для подачи воздуха в щель 30 управления циркуляцией, и внутренним вентилятором 136, соосным с центральным каналом 24, подводящим воздух к двигателю системы управления.

Хотя устройство и конструкция независимых вентиляторов 134 и 136 сложнее, чем вышеуказанного вентилятора 40, имеющего две составные части 34 и 36, они дают возможность снабдить каждый из вентиляторов 134 и 136 своим собственным приводом с независимым управлением. Таким образом, характеристики первого и второго воздушных потоков, т.е. давление и объемный расход, можно изменять независимо друг от друга, что обеспечивает более гибкую работу устройства.

Оба варианта устройства обладают тем преимуществом, что потребности как щели управления циркуляцией, так и двигателя системы управления, особенно в отношении давления воздушного потока, могут быть удовлетворены оптимальным или близким к нему образом, в отличие от известных аналогичных устройств. В связи с этим заявитель рассматривает как весьма важную особенность заявляемого устройства, заключающуюся в том, что давление воздушного потока, направленного к двигателю системы управления, резко отличается от давления воздушного потока, направляемого в щель управления циркуляцией, т.е. давление первого потока существенно ниже давления второго потока. В противоположность этому в известных устройствах аналогичного применения давление воздуха, подаваемого как к двигателю системы управления, так и к щели управления циркуляцией, одинаково и превышает величину, необходимую для указанного двигателя, что приводит к неоправданной затрате энергии.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагаются способ и устройство, являющиеся более энергосберегающими по сравнению с известными способом и устройствами. Более конкретно, заявитель ожидает и надеется, что способ и устройство, предложенные в настоящем изобретении, сделают систему парирования крутящего момента несущего винта вертолета и путевого управления вертолетом энергосберегающей в той степени, которая достижима при стандартном хвостовом (рулевом) винте вертолета. Таким образом, вертолет согласно изобретению имеет преимущество, заключающееся в том, что в нем используется система парирования крутящего момента несущего винта и путевого управления, широко известная на практике, но значительно менее энергоемкая по сравнению с используемыми в настоящее время.

Формула изобретения

1. Способ управления вертолетом, имеющим несущий винт, хвостовую балку, расположенную вдоль нее продольную щель управления циркуляцией воздушного потока, обтекающего эту балку, и реактивный двигатель малой тяги системы управления, ориентированный по одной или обеим плоскостям заднего конца хвостовой балки, заключающийся в регулировании циркуляции воздушного потока, упомянутого выше, и в управлении потоком воздуха, выбрасываемого вышеуказанным реактивным двигателем в поперечном направлении от боковой поверхности или поверхностей заднего конца хвостовой балки, отличающийся тем, что первым средством создания давления воздуха создают первый воздушный поток и подают его по первому каналу вдоль хвостовой балки в щель управления циркуляцией, создают второй воздушный поток при помощи второго средства для создания давления и подают второй воздушный поток по второму каналу вдоль хвостовой балки к реактивному двигателю малой тяги системы управления вертолетом, причем указанные первый и второй воздушные потоки имеют разное давление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй канал является, по существу, центральным и проходящим вдоль центральной части хвостовой балки, а первый канал выполнен кольцевым и охватывающим второй канал.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первый и второй каналы расположены концентрически по отношению друг к другу по крайней мере в своей верхней по ходу потока части.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым и вторым средствами создания давления воздуха являются вентиляторы.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанные вентиляторы имеют независимое управление.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первого средства создания давления воздуха служит наружная периферийная часть вентилятора осевого потока, у которого периферическая скорость наружных участков лопаток вентилятора является относительно высокой, и профиль указанных наружных участков указанных лопаток подобран так, чтобы создавать первый поток воздуха с относительно высоким давлением, и в качестве второго средства создания давления воздуха служит внутренняя часть вентилятора осевого потока, у которого периферическая скорость внутренних участков указанных лопаток указанного вентилятора является относительно низкой, и профиль указанных внутренних участков указанных лопаток подобран так, чтобы создавать второй поток воздуха с относительно низким давлением.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление во втором потоке, подаваемом к реактивному двигателю системы управления, ниже давления воздуха в первом потоке, подаваемом в щель управления циркуляцией.

8. Устройство управления вертолетом, имеющим несущий винт и хвостовую балку, содержащее расположенную вдоль нее продольную щель управления циркуляцией воздушного потока, обтекающего хвостовую балку вертолета, и реактивный двигатель малой тяги системы управления, ориентированный по одной или обеим плоскостям заднего конца хвостовой балки, отличающееся тем, что оно снабжено первым каналом, проходящим вдоль хвостовой балки и ведущим к указанной щели управления циркуляцией, первым средством создания давления воздуха, предназначенным для создания первого воздушного потока, протекающего по вышеуказанному первому каналу при заданном давлении, вторым каналом, проходящим вдоль хвостовой балки и ведущим к реактивному двигателю системы управления, и вторым средством создания давления воздуха, предназначенным для создания второго воздушного потока, протекающего по указанному второму каналу под давлением, отличающимся от заданного давления первого воздушного потока.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что второй канал проходит вдоль центральной части хвостовой балки, а первый канал является, по существу, кольцевым каналом, охватывающим второй канал.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что первый и второй каналы расположены концентрически по отношению друг к другу по крайней мере в своей верхней по ходу потока части.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что первое и второе средства для создания давления воздуха выполнены в виде вентиляторов.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанные вентиляторы имеют независимое управление.

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в качестве первого средства создания давления воздуха служит наружная периферийная часть вентилятора осевого потока, у которого периферическая скорость наружных участков лопаток вентилятора является относительно высокой, и профиль указанных наружных участков указанных лопаток подобран так, чтобы создавать первый поток воздуха с относительно высоким давлением, и в качестве второго средства создания давления воздуха служит внутренняя часть вентилятора осевого потока, у которого периферическая скорость внутренних участков указанных лопаток указанного вентилятора является относительно низкой, и профиль указанных внутренних участков указанных лопаток подобран так, чтобы создавать второй поток воздуха с относительно низким давлением.

Приоритет по пунктам: 19.04.95 по пп.5 и 12.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2