Способ приведения в движение машущих крыльев махолета и махолет
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к махолетам, использующим в полете машущие крылья для создания подъемной силы и тяги. Способ приведения в движение машущих крыльев махолета включает периодическое силовое воздействие на крылья, приведение колебательной системы в резонанс и последующее поддержание системы в этом состоянии. В процессе полета изменяют резонансную частоту единой колебательной системы махолета путем изменения жесткости колебательной системы, силовое воздействие осуществляют в крайних точках амплитуды движения крыльев махолета. Величину силового воздействия изменяют пропорционально изменению жесткости единой колебательной системы. Махолет содержит корпус, шарнирно закрепленные на корпусе два крыла, расположенные друг за другом вдоль продольной оси корпуса. Крылья установлены с возможностью встречного махового движения посредством приводных механизмов каждого крыла, содержащих поршневые двигатели. Оба крыла соединены друг с другом посредством упругого элемента, образуя с ним единую колебательную систему махолета. Колебательная система махолета выполнена с возможностью изменения ее жесткости, а поршни двигателей приводных механизмов воздействуют непосредственно на крылья махолета. Достигается повышение эффективности и экономичности махолета. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к машущекрылым летательным аппаратам (МЛА) - махолетам, использующим в полете машущие крылья для создания подъемной силы и тяги.
Известен способ образования толкающей и подъемной силы, необходимой для полета с помощью маховых движений передних и задних крыльев, расположенных в одной плоскости и сдвинутых в пространстве, при этом указанную силу образуют за счет одновременного и синхронного махового движения каждой пары крыльев, расположенных симметрично по отношению к оси фюзеляжа, причем движения пары передних крыльев опережают по фазе на 90° маховые движения пары задних крыльев (патент РФ №2344968, B64C 33/00, публикация 2009 г.).
Данный способ реализован конструкцией летательного аппарата - махолета, содержащего фюзеляж, две пары крыльев, симметрично расположенных в одной плоскости с каждого борта, шарниры, установленные на фюзеляже и связывающие крылья с фюзеляжем, рабочий механизм для образования маховых движений крыльев, допускающий изменение угла атаки каждого крыла в отдельности, и силовую установку, при этом лопасти крыльев выполнены из гибкого пружинящего материала, рабочий механизм каждого борта состоит из коленвалов, сочлененных с силовой установкой, каждый коленвал содержит два колена, колена шарнирно через ползуны сочленены со штоками, колена передней пары крыльев сдвинуты на 90° по отношению к коленам задней пары крыльев по направлению вращения коленвалов, положения колен правой и левой стороны борта зеркально симметричны по отношению к вертикальной плоскости, делящей фюзеляж пополам, а силовая установка выполнена с возможностью вращения коленвалов в разные стороны.
Известные технические решения предполагают «силовое» управление машущими крыльями, которое невозможно осуществить на больших махолетах из-за так называемого масштабного фактора - момент инерции крыльев при увеличении размеров увеличивается в пятой степени от линейного размера.
Известен способ приведения в движение машущих крыльев орнитоптера, включающий механическое воздействие возмущающих сил на колебательную систему крыльев с упругим элементом с последующим аккумулированием упомянутых воздействий и преобразованием вынужденных колебаний в автоколебания системы крыльев, при этом в автоколебания преобразуют вынужденные маховые колебания крыльев, аккумулируют воздействия возмущающих сил, получаемых от бортового источника энергии, а на крылья воздействуют возмущающей силой периодически и синхронно с частотой собственных колебаний крыльев и приводят колебательную систему крыльев в состояние резонанса с последующим поддержанием ее в этом состоянии. В качестве бортового источника энергии используют мускульный привод, и/или пневмопривод, и/или гидропривод, и/или двигатель внутреннего сгорания или их сочетание (заявка РФ №2007118565, МПК B64C 33/02, публикация 2008 г.).
Известный способ позволяет преодолеть влияние сил инерции за счет поддержания колебаний крыльев с резонансной частотой, но не может обеспечить управляемость полета, так как является однорежимным и не обеспечивает управление скоростью полета.
Известен летательный аппарат с машущими крыльями, который может летать, взмахивая крыльями, и состоящий из корпуса, торсионного вала, который свободно вращается в корпусе, приводного механизма для вращения торсионного вала и крыльев, совершающих возвратно-поступательные движения между двумя точками и соединенных с торсионным валом таким образом, чтобы вращаться вместе с ним и вращаться под действием крутящего момента относительно торсионного вала. Летательный аппарат с машущими крыльями создает подъемную силу в течение полного цикла взмаха крыльев и исключает создание подъемной силы только лишь в одной половине цикла и ее потерю во второй половине цикла. Поэтому данный летательный аппарат может обеспечить не только устойчивый полет, но и плавное зависание или полет с набором высоты или снижением (патент США №2008251632, МПК B64C 33/00, публикация 2008 г.).
В известном устройстве для оптимизации динамической крутки крыла при махах крыльев используется торсионный вал, но предложенная конструкция не обеспечивает возможности махов большими крыльями с достаточной частотой и амплитудой для осуществления полета.
Известен летательный аппарат, содержащий корпус с шарнирно установленными крыльями, силовую установку и привод машущих движений крыла, при этом силовая установка выполнена в виде двигателя с редуктором, а для привода использованы два кривошипно-шатунных механизма, приводящих в колебательные движения силовые валы, которые посредством цепных передач обеспечивают машущие движения четырех симметричных плоских крыльев, а каждое крыло снабжено механизмом вращения, размещенным в корне крыла на центральном лонжероне, который установлен в вилке и вращается в ней в процессе колебательных движений крыла при помощи двух храповых механизмов (патент РФ №2375253, МПК B64C 33/02, публикация 2009 г.).
В известном летательном аппарате решается частная проблема управления подвижных крыльев по углу их установки в набегающем потоке воздуха. Но жесткий привод через редуктор и кривошипно-шатунный механизм не позволяет создать экономичный и реально действующий механизм для махания достаточно большими крыльями, обеспечивающими полет с человеком на борту.
Известно устройство машущих навстречу друг другу тандемно расположенных крыльев летательного аппарата с приводом, содержащее податливые на кручение крылья и соединенные в противофазе кривошипно-шатунно-коромысловые механизмы, двуплечими рычагами-коромыслами которых являются лонжероны или силовые кромки крыльев, которым трехшарнирные шатуны механизмов сообщают как основное, собственно маховое движение, так и движение автоматической крутки крыла в процессе махания, с возможностью независимых от махания перемещений вперед-назад вдоль оси махания, что вызывает поворот связанных с ними трехшарнирных шатунов вокруг пальцев кривошипов и, соответственно, независимый от режима махания или планирования перекос крыльев вокруг наклоняющихся осей верхних шарниров шатунов (патент РФ №2350509, МПК B64C 33/00, публикация 2009 г.).
В данном устройстве описан частный случай управления круткой крыла (изменением его угла установки в движущемся потоке), решение задачи управления по крену не решает главной проблемы - обеспечения преодоления сил инерции движущихся крыльев экономичным способом.
Все известные конструкции махолета не позволяют осуществить управляемый длительный полет с человеком на борту, что подтверждается тем, что ни один махолет с человеком на борту не совершил полноценного полета.
В настоящее время считается, что для того чтобы обеспечить длительный управляемый полет с человеком на борту махолета, необходимо махать крыльями общей площадью 16-18 кв.м с частотой не менее 1 Гц. Очевидно, что находиться в корпусе аппарата, колеблющемся в противофазе с движением двух крыльев, некомфортно. Поэтому наиболее приемлемым является установка двух пар крыльев, качающихся по одной оси в противофазе. Такая кинематика крыльев позволяет исключить влияние всех колебательных процессов на корпус аппарата.
Два качающихся в противофазе крыла, соединенные упругим элементом (торсионом) по оси качания, представляют собой колебательный контур, в котором частота собственных колебаний зависит от соотношения моментов инерции движущихся крыльев и угловой жесткости торсиона и не зависит от размеров и массы крыльев. При этом имея расчетную массу и габариты крыльев, определяющие моменты инерции, можно подобрать жесткость торсиона (варьируя его длину и диаметр), обеспечивающую совпадение собственной частоты колебаний с заданной, например, в 1 Гц.
Тогда, импульсно воздействуя на крылья в крайних точках (аналогично подталкиванию качелей в крайних точках амплитуды качания), можно заставить крылья махать с заданной частотой и амплитудой с минимальными затратами энергии. Но такая система будет однорежимной и, при прочих равных условиях, летать можно будет только на одной установившейся относительно воздуха скорости, определяемой балансом сил тяги махающих крыльев и сил сопротивления. Таким образом, махолет, построенный по такой схеме, не будет способен к изменению параметров полета, а следовательно, к управляемому полету. Для увеличения скорости полета махолета необходимо будет увеличить частоту махов крыла, что приведет к рассогласованию установившейся колебательной системы и резкому увеличению потребной мощности на силовое махание крыльями.
Для создания управляемого по скорости махолета необходимо изменять резонансную частоту системы «крылья - упругий элемент» в широких пределах. Т.е нужно иметь возможность оперативного управления частотой резонансных колебаний в полете для изменения скорости полета (тяги) машущих крыльев. Изменять резонансную частоту колебательной системы можно изменяя либо массу (размеры) крыла (что вряд ли технически осуществимо в процессе полета), либо жесткость торсиона (изменить его диаметр или длину тоже технически невозможно).
Для изменения резонансной частоты колебательной системы в процессе полета махолета предлагается в дополнение к базовому упругому элементу (торсиону) в колебательную систему «крылья - упругий элемент» дополнительно включить регулируемые упругие элементы, например пневмоцилиндры, в которых путем изменения давления можно легко изменять и упругие характеристики в широких пределах.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и экономичного способа приведения в движение машущих крыльев махолета и создание устройства, обеспечивающего осуществление этого способа.
Технический результат изобретения заключается в возможности осуществления длительного управляемого полета махолета с человеком на борту.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ приведения в движение машущих крыльев махолета, соединенных с упругим элементом и образующих с ним единую колебательную систему махолета, включает периодическое силовое воздействие на крылья, приведение колебательной системы в резонанс и последующее поддержание системы в этом состоянии, при этом в процессе полета изменяют резонансную частоту единой колебательной системы махолета путем изменения жесткости колебательной системы махолета, силовое воздействие осуществляют в крайних точках амплитуды движения крыльев махолета, а величину силового воздействия изменяют пропорционально изменению жесткости единой колебательной системы махолета.
Сущность изобретения заключается также в следующем.
Махолет содержит корпус, шарнирно закрепленные на корпусе два крыла, расположенные друг за другом вдоль продольной оси корпуса и установленные с возможностью встречного махового движения посредством приводных механизмов каждого крыла, содержащих поршневые двигатели, при этом оба крыла соединены друг с другом посредством упругого элемента, образуя с ним единую колебательную систему махолета. Колебательная система махолета выполнена с возможностью изменения ее жесткости, а поршни двигателей приводных механизмов воздействуют непосредственно на крылья махолета.
Колебательная система махолета включает упругий элемент постоянной жесткости, выполненный в виде установленного вдоль продольной оси махолета торсионного вала, посредством которого соединены оба крыла, и систему упругих элементов переменной регулируемой жесткости, выполненных в виде пневмоцилиндров, соединенных с крыльями по обе стороны от оси торсионного вала.
На фиг.1 изображен общий вид махолета, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 представлена кинематическая схема махолета; на фиг.4 - схема управления частотой колебания крыльев.
Махолет содержит корпус 1 с кабиной пилота 2 и двумя крыльями - передним крылом 3 и задним крылом 4. Крылья расположены друг за другом вдоль продольной оси 5 корпуса с возможностью поворота относительно друг друга. На корпусе махолета установлено шасси 6, стабилизатор 7 с рулем направления и хвостовое оперение 8 с рулями высоты. Переднее крыло 3 соединено с задним крылом 4 по оси 5 упругим элементом, выполненным в виде торсиона 9. Оба крыла соединены между собой дополнительно системой синхронизации, включающей тяги 10 и качалки 11.
Каждое крыло по обе стороны от оси 5 шарнирно соединено с дополнительными регулируемыми упругими элементами, выполненными в виде пневмоцилиндров 12.
Под каждым крылом с обеих сторон от оси 5 установлены двухтактные двигатели 13, при этом цилиндры двигателей неподвижно закреплены на корпусе махолета, а поршни двигателей подвижно соединены штоками с крыльями. Одна из качалок 11 соединена с поршневым компрессором 14, который сообщен через обратный клапан с ресивером 15. Ресивер 15 через управляемый редукционный клапан 16 соединен с дополнительным ресивером 17, который в свою очередь соединен через электромагнитный клапан 18 с полостями пневмоцилиндров.
Редукционный клапан 16 соединен тягой с установленной в кабине пилота рукояткой управления 19 таким образом, что перемещение рукоятки в положение «-» уменьшает давление в промежуточном ресивере 17, а перемещение рукоятки в положение «+» увеличивает давление. На поршне каждого пневмоцилиндра установлена магнитная метка 20, а на корпусе пневмоцилиндра - геркон 21. Пневмоцилиндры 12 дополнительно соединены с ресивером 15 через управляемый клапан 22.
Махолет работает следующим образом.
Пилот садится в кабину 2, расположенную в корпусе 1 махолета, и включает систему запуска, которая через управляемый клапан 22 подает давление в пневмоцилиндры. При этом корпус махолета опирается на землю через шасси 6. Клапан 22 подает давление из ресивера 15 в полости пневмоцилиндров 12 попеременно. При этом усилие пневмоцилиндров передается на крылья 3 и 4, причем если крыло 3 начинает двигаться по часовой стрелке, то крыло 4 - против, при этом механизм синхронизации, состоящий из тяг 10 и качалок 11, обеспечивает движение крыльев строго в противофазе. Поворот крыльев 3 и 4 относительно оси 5 в противоположные стороны скручивает торсион 9.
Давление в ресивере 17 установлено нулевым, а клапан 18 отключен.
Управляемым клапаном 22 задается такое движение пневмоцилиндрам, при котором крылья начинают двигаться в противофазе, увеличивая амплитуду колебаний с частотой собственных колебаний системы «крылья - упругий элемент (торсион)». При достижении амплитуды колебаний расчетного значения пилот включает подачу топлива в двухтактные двигатели 13 и отключает систему запуска. При этом количество подаваемого топлива поддерживает колебания системы крыльев с заданной амплитудой. Для осуществления разгона и взлета пилот переводит рукоятку 19 управления из положения «-» в положение «+», увеличивая этим управляющим воздействием мощность силовой установки и частоту колебаний крыльев.
Происходит это следующим образом. Перемещение рукоятки 19 в положение «+» открывает редукционный клапан 16 и сжатый воздух из ресивера 15 подается в ресивер 17 с максимальным давлением. При этом движущийся в пневмоцилиндре поршень с магнитной меткой в средней части траектории включает через геркон 21 электромагнитный клапан 18 и давление ресивера 17 одновременно подается в камеры пневмоцилиндров. При дальнейшем движении поршня геркон закрывает клапан 18 и изолирует полости пневмоцилиндров друг от друга и от ресивера 17.
Дальнейшее перемещение поршней в цилиндрах сжимает воздух в камерах, расположенных по ходу движения поршней, и приводит к сжатию «газовых пружин», являющихся дополнительным регулируемым упругим элементом в единой колебательной системе «крылья - упругий элемент». Общая жесткость упругих элементов колебательной системы складывается из постоянной составляющей (жесткости торсиона, зависящей от его длины и диаметра) и регулируемой составляющей, пропорциональной давлению в ресивере 17, которое изменяется пропорционально перемещению рукоятки управления 19. Кроме того, перемещение рукоятки 19 одновременно увеличивает подачу топлива в двухтактные двигатели, и крылья в крайних точках амплитуды колебаний получают соответственно больший силовой импульс.
Перемещение рукоятки 19 в крайнее положение максимально увеличивает частоту колебания крыльев и подачу топлива в двигатели, а соответственно и тягу, создаваемую крыльями. После взлета пилот устанавливает рукоятку 19 в среднее положение, выбрав режим частоты колебания крыльев, соответствующий необходимой скорости движения. Компрессор 14 поддерживает давление в ресивере 15, обеспечивая системы управления и запуска сжатым воздухом.
Управление по высоте, направлению и крену производится обычным самолетным способом с помощью стандартной рукоятки управления самолетом (РУС), отклонение которой вызывает отклонение соответствующих управляющих плоскостей руля направления и высоты.
Единственным отличием является управление по крену, осуществляемое отклонением рулей высоты в разные стороны, так как использование элеронов на подвижных крыльях затруднительно. Также управление по крену может осуществляться изменением угла установки правых и левых крыльев.
Махолет предложенной конструктивной схемы обладает высокой надежностью. Соединение крыльев торсионом при выходе из строя всех независимо работающих четырех двигателей позволяет автоматически устанавливаться крыльям в среднее положение, превращая махолет в планер. Выход из строя одного или нескольких двигателей никак не сказывается на способности махолета производить махи крыльями, так как оба крыла связаны механизмом синхронизации.
1. Способ приведения в движение машущих крыльев махолета, соединенных с упругим элементом и образующих с ним единую колебательную систему махолета, включающий периодическое силовое воздействие на крылья, приведение колебательной системы в резонанс и последующее поддержание системы в этом состоянии, отличающийся тем, что в процессе полета изменяют резонансную частоту единой колебательной системы махолета путем изменения жесткости колебательной системы, при этом силовое воздействие осуществляют в крайних точках амплитуды движения крыльев махолета, а величину силового воздействия изменяют пропорционально изменению жесткости единой колебательной системы махолета.
2. Махолет, содержащий корпус, шарнирно закрепленные на корпусе два крыла, расположенные друг за другом вдоль продольной оси корпуса и установленные с возможностью встречного махового движения посредством приводных механизмов каждого крыла, содержащих поршневые двигатели, при этом оба крыла соединены друг с другом посредством упругого элемента, образуя с ним единую колебательную систему махолета, отличающийся тем, что колебательная система махолета выполнена с возможностью изменения ее жесткости в процессе полета, а поршни двигателей приводных механизмов воздействуют непосредственно на крылья махолета.
3. Махолет по п.2, отличающийся тем, что колебательная система махолета включает упругий элемент постоянной жесткости, выполненный в виде установленного вдоль продольной оси махолета торсионного вала, посредством которого соединены оба крыла, и систему упругих элементов переменной регулируемой жесткости, выполненных в виде пневмоцилиндров, соединенных с крыльями по обе стороны от оси торсионного вала.
