Движитель для летательного аппарата
Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой. Движитель содержит два оппозитно расположенных цилиндра, поршни в которых соединены между собой жестким стержнем с поперечной осью. На оси, проходящей через середину жесткого стержня, закреплены две пары втулок, расположенных на концах подвижных колебательных стержней, на противоположных концах которых закреплены машущие крылья. Середина каждого подвижного стержня проходит через втулку. Втулка закреплена на корпусе летательного аппарата с возможностью вращения вместе с машущими крыльями на поперечной оси. Достигается уменьшение веса и увеличение эффективности передачи усилий от двигателя к крыльям. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой. Движитель предназначен для приведения в колебательное движение крыльев летательного аппарата, построенного на основе моноколейного автомобиля (заявка 2005102203 от 31.01.05).
В летательных аппаратах с машущими крыльями обычно применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) (патенты РФ №2043950, 2081033, 2096266, 2266238 и т.д.), в котором колебательные движения поршней двигателя превращаются во вращательное движение коленвала и маховика, а затем снова преобразуются с помощью разных механизмов в колебательные движения крыльев. Во всех случаях получается двойная логическая (и механическая) спираль: вначале колебательные движения поршней превращаются во вращательное движение коленчатого вала, затем вращательное движение коленвала снова превращается в колебательное движение крыльев. Это ведет к нагромождению механизмов одних на другие, что создает дополнительный вес конструкции, а в природе вещей все должно быть просто и надежно. Все летающее в мире имеет минимальный вес, здесь действует принцип естественного отбора, и минимальную плотность материалов. ЛА должен быть предельно легким, в нем не должно быть никаких лишних деталей; как у пчелы. При расчете любого транспортного средства (ТС) на первом месте должен быть КПД ТС. (Голубев В.И. Автомобильные проблемы, Москва, Сайнс пресс, 2006 г.). Причем это правило относится и к автомобилям, и к судам, и к летательным аппаратам, будь то самолет, вертолет или махолет. Для уверенного и устойчивого полета на мотодельтаплане требуется мощность двигателя больше 50 лс, для легких самолетов необходима мощность больше 100 лс. Разработчики махолетов в большинстве случаев все это не учитывают и технических расчетов не проводят, многие рассчитывают летать за счет мышечной силы человека, что недопустимо, т.к. любой порыв ветра ведет к гибели, поэтому все заявки на эти изобретения остаются без внимания грамотных инженеров, а махолеты, которые делали, до сих пор не летают. В указанной книге доказано, что ДВС с КШМ - это слишком плохой двигатель, все транспортные средства с ним имеют недопустимо низкий КПД, а в махолетах его применять просто нельзя ввиду низкой весовой мощности. Большое давление поршня на коленвал и давление поршня на цилиндр требует применения прочных и, значит, тяжелых деталей, вынуждает применять принудительную смазку, что повышает вес двигателя и неразумно усложняет его конструкцию, существенно понижает КПД двигателя. Необходимо избавиться от всякого вращательного движения во всех видах ТС. Колебательные движения элементов двигателя надо передавать на механизмы движения, которые тоже являются колебательными, будь то шаги, махи или гребные движения в воде.
По земле шагаем, по воздуху машем, по воде гребем лопастями или ластами, или плавниками. Все живое в природе построено на этих принципах, и только низкий уровень науки прошлых веков привел к созданию в ТС вращательных движений, которые, как теперь выяснилось, оказались энергетически невыгодными. Во всех случаях колебательных механизмов движения, КПД преобразования химической энергии топлива в механическую энергию оказывается в несколько раз выше по сравнению со стандартными устройствами ДВС, со сложными системами приведения их в действие с помощью систем смазки, охлаждения и прочих вспомогательных устройств, необходимых для работы ДВС.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы усилия поршней передать непосредственно на крылья, минуя всякие вспомогательные механизмы типа коленвала, кривошипа и прочих тяговых стержней и тросов, как это делается в указанных выше патентах. Привод надо делать так же, как у шмеля: мышцы действуют прямо на крыло, одна тянет вверх, другая вниз, причем очень быстро, по нашим измерениям с частотой 400 Гц. У большого шмеля весом 0,77 г частота колебаний крыльев равна 200 Гц.
Поставленная цель достигается тем, что поршни ДВС действуют непосредственно на маховые стержни крыльев, которые дают подъемную силу за счет отбрасывания вниз массы воздуха, которую они захватывают. Связанные между собой жесткой штангой два оппозитно расположенных поршня не создают боковых давлений на цилиндры, ввиду чего нет необходимости применять принудительную смазку поршней, трущихся о цилиндры.
Известны двигатели внутреннего сгорания с оппозитно расположенными поршнями (С.С.Баландин, Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания, М.: Маш., 1972 г.), где колебательные движения поршней превращаются во вращательное движение с помощью гипоциклоидного механизма, без применения кривошипа. Однако превосходство этого варианта оказалось незначительным, а технологии его изготовления сложными, отличающимися от принятых, поэтому никто его в серийное производство внедрять не стал. Вместо того чтобы колебательные движения использовать для движения ТС, все усилия были направлены на получение вращательного движения, - очередная ошибка изобретателей. Наша задача состоит в том, чтобы колебательные движения поршней превратить непосредственно в силу, движущую транспортное средство. Только в случае исключения всех вспомогательных устройств двигателя, суммарный КПД будет заметно большей величины, по сравнению с тем, что достигнуто в существующих современных ТС. И вес двигателя получается при этом меньше.
Чтобы получить большую частоту колебаний крыла, необходим мощный двигатель прямого действия поршня на крыло с минимальными переходными устройствами. Такой двигатель предлагается в данном случае.
На фиг.1 показан вид спереди, где имеют место следующие обозначения:
1-1-я камера сгорания, 2 - 2-я камера сгорания, 3 - 3-я камера сгорания, 4 - 4-я камера сгорания, 5 - 1-й цилиндр, 6 - 2-й цилиндр, 7 - стержень, соединяющий поршни, 8 - поршень 1-го цилиндра, 9 - поршень 2-го цилиндра, 10 - маховой стержень правого крыла, 11 - маховой стержень левого крыла, 12 - поворотная втулка махового стержня правого крыла, 13 - поворотная втулка махового стержня левого крыла, 14 - поперечная ось махового стержня правого крыла, закрепленная на корпусе ЛА, 15 - поперечная ось махового стержня левого крыла, 16 - клапан впускной 1-й камеры сгорания, 17 - клапан выпускной 1-й камеры сгорания, 18 - клапан впускной 4-й камеры сгорания, 19 - клапан выпускной 4-й камеры сгорания, 18 - клапан впускной 3-й камеры сгорания, 19' - клапан выпускной 3-й камеры сгорания, 20 - свеча зажигания II-й камеры сгорания - 3, 21 - свеча зажигания III-й камеры сгорания - 3, 22 - выходная часть стержня на линейный стартер-генератор запуска двигателя и заряда аккумулятора, (выполняющего роль маховика для выравнивания колебаний стандартного двигателя), 23 - поворотная втулка с масляной смазкой, фиг.2 - поворотная втулка с роликами, фиг.5, 24 - поперечная ось в жестком стержне, 25 - втулка левого машущего стержня.
На фиг.2 показан вид сверху на расположение клапанов и машущих стержней в средней части конструкции, на фиг.3 дан разрез электромагнитного привода клапанов, на фиг.4 показан механизм вращения крыльев, здесь 28-1 - верхнее положение крыла, гофрированного по пчелиному варианту, 28-2 - нижнее положение крыла, на фиг.5 показан механизм вращения крыла на маховом стержне за счет продольного движения махового стержня 10 и вращения крыла, направляемого винтом 30 вдоль канавки 31 на этом стержне. Размах движения а) махового стержня 10 во втулке крыла определяется изменением угла наклона махового стержня и его скольжения в поворотной втулке 12 при движении жесткого стержня 7.
Движитель состоит из двигателя внутреннего сгорания, состоящего из двух оппозитно расположенных цилиндров 5 и 6 и двух поршней 8 и 9, соединенных стержнем 7. В середине этого стержня проходит ось 24, на которой через втулки закреплены машущие стержни 10 и 11, проходящие через поворотные втулки 12 и 13, закрепленные на корпусе летательного аппарата. На концах машущих стержней закреплены крылья 26 и 28, которые удерживаются на стержне винтом 30, проходящим по канавке 31. Профиль канавки обеспечивает вращение крыла в виде восьмерки. Такое вращение можно получить также с помощью рейки, прикрепленной одним концом к корпусу аппарата, а другим концом к краю крыла.
Нижний конец жесткого стержня 22 связан с ротором линейного стартера. Клапана 18' 19' повернуты относительно клапанов 18 и 19 на 90°, чтобы не мешать движению маховых стержней 10,11, фиг.2. На фиг.3 показано сечение электромагнитного привода клапанов. Электромагнит имеет две обмотки для закрытия и для открывания клапана. Двигатель двухстороннего действия, так что четыре такта осуществляются в двух цилиндрах.
Работа колебательного двигателя осуществляется следующим образом.
Запуск двигателя осуществляется стартером через рейку 22, который продвигает поршни до момента, когда в одной из камер сгорания, например 2-й, произойдет сжатие горючей смеси и ее зажигание свечой 20. Давление сгоревшей смеси продвигает поршни 8 и 9 вверх и одновременно через стержень 7 поворачивает маховые стержни 10, 11, на которых закреплены крылья. Поворот осуществляется во втулках 14, 15, причем маховые стержни скользят во втулках 12, 13 при повороте маховых стержней 10, 11. Между маховыми стержнями и втулками должна быть хорошая смазка, так как усилия между ними большие, хотя они на порядок меньше давления поршня на коленвал в обычном ДВС. Вместо хорошей смазки можно применить роликовый линейный подшипник, фиг.4 и 5. Наполнение нижних цилиндров 2 и 4 осуществляется бедной смесью, т.к. подъем крыльев осуществлять легче, чем их опускание, когда ЛА опирается на воздушную подушку под крыльями. Обычное давление поршня на цилиндр в данном варианте двигателя отсутствует, так что смазка цилиндра и маслосъемные кольца отсутствуют, применяются только компрессионные кольца. Ввиду отсутствия КШМ и других вспомогательных механизмов стандартного ДВС, КПД данного двигателя приближается к термодинамическому КПД, т.е. примерно в два раза выше КПД автомобильных двигателей ηа. Это значит, что удельная весовая мощность его в два раза выше и махолет с таким движителем способен подниматься вверх при соответствующей низкой плотности материалов, из которых он должен быть изготовлен. Плотность материалов, из которых сделаны пчелы и шмели, колеблется в пределах 0,75-1,2 г/см3. Чтобы махолет мог летать, необходимо среднюю плотность материалов довести до величины 1,0-2 г/см3, т.е. в случае применения некоторых железных деталей, другие детали делать из материалов с плотностью меньше 1,0 г/см3. Если цилиндры 5 и 6 стальные, кольца поршней стальные, то остальные детали: поршни, маховые стержни, радиаторы, крылья, корпус ЛА, клапана и даже свечи должны изготовляться из легких материалов. Удельная энергетическая мощность бензина в 2-3 раза выше, чем удельная мощность биологических источников энергии, типа овса, пшена и т.п. Это дает возможность летать даже на таких примитивных устройствах как вертолет, где очень много сверхтяжелых материалов, и КПД движителя которого очень низкий, а КПД вертолета не превышает 3-х процентов.
Известно, что удельная мощность привода у насекомых 120 вт/кг, у самолетов и вертолетов на порядок ниже, поэтому расход энергии очень большой. Подъемная сила у самолетов, так же как у больших птиц, создается выпуклостью крыла и большой скоростью движения его в воздушной среде. В махолете подъемная сила создается только нелинейностью сопротивления воздуха при движении крыла вверх и вниз. Если подъемная сила у самолета создается выпуклостью крыла и скоростью его, создаваемой вращением винта и его тягой, то у малых птиц и у насекомых сила тяги создается вращением крыла в виде восьмерки, это вращение создает горизонтальную тягу. Но чтобы развивать скорость и подъемную силу только за счет этого, насекомые должны иметь малый вес и, соответственно, малую плотность материалов собственного тела, и большую удельную мощность движителя. Крылья насекомых и малых птиц имеют малый вес, и прочность их конструкции создана только за счет очень рационального гофрирования и ребрения. Момент инерции этих крыльев ничтожно мал, поэтому они позволяют колебать себя с очень большими частотами, у комара около 15 кГц.
Наличие створок в крыльях, как предлагают многие изобретатели, например, №2007337, повышает подъемную силу ЛА, но надежность их вызывает сомнение и может быть проверена лишь путем экспериментальных испытаний и длительной эксплуатации. А так как ни один махолет не получил практического развития, то этот вопрос является нерешенным. Поэтому остается только осуществлять движение крыльев так, как это делают пчелы и шмели, т.е. вращать их, описывая восьмерку: при движении крыла вверх поднята передняя кромка крыла, при движении вниз передняя кромка опущена. Можно сказать, что крыло зачерпывает воздух при движении вверх и отбрасывает его вниз и назад при движении крыла вниз. Это движение описано как восьмерка в ряде научных работ, например, Никулин М.А., "Двумерная аэродинамическая схема машущего полета", автореферат, Москва, МГУ, 1984 г.
Для поворота ЛА в полете от штурвала пилота, необходимо раздельное управление вращением правого и левого крыла.
Механизм привода клапанов должен быть электромагнитным, так как механический привод слишком тяжелый. На фиг.3 показан разрез реверсивного электромагнитного механизма для управления стандартным цилиндрическим клапаном. Электромагнит содержит две обмотки 3 и 8, для открывания и закрывания клапана. При пуске дается мощный импульс, после срабатывания на удержание дается малый ток. Положение клапана фиксируется шариком во втулке 6; для смягчения удара магнита 5 по корпусу 2 применены плоские бронзовые пружины 7. Настройка клапана на плотное закрывание осуществляется трапецией 4 с регулировочным винтом после прогрева двигателя.
По предварительным расчетам при индикаторной мощности 100 кВт и собственном весе ЛА 200 кг частота колебаний крыльев будет 3000 в минуту с возможностью доведения ее в процессе доработки ЛА до 6000 в минуту, или 100 Гц. Но, как показывают наши эксперименты, уже при частоте колебаний крыльев 40 Гц, не выдерживает ни одно клееное крыло, нужны литые крылья и особые материалы, и оптимальный профиль вдоль крыла в соответствии с теорией прочности материалов при боковой нагрузке. А также выбор оптимального гофрирования и ребер жесткости.
1. Движитель для летательного аппарата, содержащий два оппозитно расположенных цилиндра, поршни в которых соединены между собой жестким стержнем с поперечной осью в средней части, отличающийся тем, что на этой оси, проходящей через середину жесткого стержня, закреплены две пары втулок, расположенных на концах подвижных колебательных стержней, на противоположных концах которых закреплены машущие крылья, а середина каждого подвижного стержня проходит через втулку, закрепленную на корпусе летательного аппарата с возможностью вращения этой втулки вместе с машущими крыльями на поперечной оси.
2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что втулка крыла соединена с концом махового стержня с помощью винта, конец которого проходит через канавку, которая создает вращательные колебания крыла, необходимые для создания горизонтальной тяги.
3. Движитель по п.1, отличающийся тем, что нижний конец жесткого стержня связан с ротором стартера запуска двигателя, который после запуска переходит в режим генератора для подзарядки аккумулятора, а при неожиданной остановке двигателя автоматически переходит в режим стартера.
4. Движитель по п.1, отличающийся тем, что привод клапанов движителя содержит реверсивный электромагнит с двумя обмотками для закрывания и открывания клапанов.
