Устройство для спуска с высотных объектов при помощи авторотации

Изобретение относится к способам эвакуации и конструкции спасательных устройств для спуска с высотных объектов. Устройство для спуска с высотных объектов при помощи авторотации содержит два установленных параллельно винта, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси, сиденье пилота, устройство управления шагом винтов и электронный блок расчёта параметров авторотации. Винты выполнены свободно вращающимися, при этом каждый из винтов выполнен с возможностью установки на первичный шаг, позволяющий каждому из винтов раскручиваться под влиянием набегающего потока. Устройство управления шагом винтов выполнено с возможностью управления шагом каждого из винтов для регулирования вертикальной скорости спуска устройства. Способ спуска с высотных объектов содержит этапы, на которых: изменяют шаг каждого из винтов с отрицательного угла атаки на положительный для увеличения подъёмной силы винта и снижения вертикальной скорости спуска - этап авторотации и этап пикирования, при котором увеличивается скорость вращения винта и вертикальная скорость спуска устройства. Обеспечивается возможность безопасного спуска человека с высотного объекта посредством регулирования вертикальной скорости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для спуска с высотных объектов, в частности стационарных высотных объектов, при помощи авторотации, также называемому в контексте настоящей заявки «Роторайдер», которое обеспечивает возможность эвакуации человека с объектов, находящихся на удалении от поверхности земли ориентировочно 100 метров. Кроме того, устройство согласно изобретению, может применяться спортсменами-любителями в экстремальных видах спорта, связанных со спусками с различных подвижных и стационарных и высотных объектов. Также изобретение может быть применено в качестве средства спасения

Уровень техники

Известны различные устройства для контролируемого и/или управляемого спуска человека с подвижных и стационарных высотных объектов, применяемые в парашютном спорте, бейсджампинге, параглайдинге и других аналогичных видах спорта.

С древних времён в разных странах мира люди пытались спускаться с высотных объектов, таких как башни, деревья, скалы с помощью различных приспособлений, которые можно считать прообразом современного парашюта. Однако ввиду незнания законов аэродинамики такие попытки зачастую приводили к негативному результату. Наиболее выгодные размеры парашюта первым указал Леонардо да Винчи в своей рукописи 1485 года. Он же предложил идею «вертолёта» или «автожира» со спиралевидным винтом из накрахмаленного льна, приводимым в движение за счёт физической силы пилота.

В настоящее время для спуска со стационарных высотных объектов можно считать пригодными в основном либо дельтапланы, либо парашюты/парапланы. Однако недостаток дельтаплана состоит в том, что его крыло даже в сложенном виде имеет значительный вес и большие габариты, в связи с чем его сложно поднять на высотный объект, а для подготовки крыла дельтаплана к полёту требуется время и большой участок свободного места.

К недостаткам параплана можно отнести потребность в большом участке свободного места для его раскладывания перед стартом и риск повреждения параплана при случайном зацеплении за какие-либо выступающие предметы на высотном объекте.

Парашют выгодно отличается компактностью, лёгкостью и отсутствием необходимости подготовки непосредственно на месте старта с высотного объекта. В то же время, к его недостаткам можно отнести риск нераскрытия парашюта в случае неправильной укладки. Кроме того, парашютам присущи ограничения по минимальной высоте объекта, с которого может быть осуществлён безопасный спуск. Так, спуск с парашютом с малых высот (например, около 60-100 м) считается травмоопасным ввиду высокой вертикальной скорости приземления.

Также известен вингсью́т (от англ. wingsuit «костюм-крыло» от wing «крыло» + suit «костюм») — специальный костюм-крыло, конструкция которого позволяет набегающим потоком воздуха наполнять крылья между ногами, руками и телом пилота, создавая тем самым аэродинамический профиль. Однако вингсьют предназначен для спуска со значительным горизонтальным перемещением и не может быть применен для преимущественно вертикального спуска.

Известно также применение в качестве средства спуска с высотных объектов устройств, снабжённых воздушными винтами (роторами, пропеллерами), в которых используется принцип авторотации, т.е. «самовращения» винта под действием набегающего воздушного потока при спуске устройства под действием сил гравитации.

Известны различные конструкции сверхлёгких (по существу, индивидуальных) летательных аппаратов, также известных как «ранцевые вертолёты». Как правило, эти летательные аппараты имеют один или более несущих винтов, сиденье пилота или средство крепления летательного аппарата к телу пилота, а также средства управления летательным аппаратом. В качестве примеров можно привести ранцевый вертолет «Юла» (разработчик Котельников В.И. https://www.youtube.com/watch?v=rm7bz2MDh5w ) или вертолет Ка-56 «Оса» разработки КБ им. Н.И. Камова (https://www.youtube.com/watch?v=XA6ouc7wzvE).

Однако все эти летательные аппараты предназначены для горизонтального перемещения при выполнении полётов, включая взлёт и посадку, и для этих целей они обязательно снабжены одним или более двигателями. По меньшей мере теоретическая возможность спуска на авторотации для таких летательных аппаратов предусматривается при условии перехода к авторотации из режима полёта с некоторой поступательной скоростью. В то же время при нулевой начальной поступательной скорости спуск на авторотации для подобных конструкций едва ли будет успешным.

С другой стороны, известны так называемые «роторные парашюты», примерами которых являются устройства, известные в данной области техники как Kaman Rotorchute и Hafner Rotachute. Оба этих известных аналога выполнены по одновинтовой схеме. При этом Kaman Rotorchute предназначен для точного сброса грузов с летательных аппаратов и не имеет каких-либо средств управления полётом, а также не является пилотируемым (https://www.youtube.com/watch?v=41C0_rmoS_4).

Устройство, известное как Hafner Rotachute, представляет собой сравнительно крупный летательный аппарат, снабжённый хвостовым оперением для обеспечения направленного полёта, который по существу можно отнести скорее к «безмоторным автожирам», чем к «ранцевым вертолётам». Данный летательный аппарат испытывался только при наличии изначальной поступательной скорости, в частности при сбросе с летательных аппаратов и при буксировке автомобилем. В то же время, возможность спуска с высотных объектов, и в частности стационарных высотных объектов для данного летательного аппарата не была показана (https://en.wikipedia.org/wiki/Hafner_Rotachute)

Патент РФ № 2661203 (Батт А.Г., опубликовано 13.07.2018) раскрывает спасательно-десантное устройство вертолетного типа с электроприводом, которое представляет собой электродвигатель с соосными винтами, рычагом с шарниром и рукоятью для управления спуском. Известное устройство крепится к спинке катапультного кресла или к телу десантника на каркасе. Данное устройство также требует наличия двигателя для осуществления управляемого полёта и не выполнено с возможностью спуска с использованием авторотации винтов со статичного высотного объекта, то есть с нулевой исходной горизонтальной скоростью.

В заявке на патент РФ № 2017126672 (Горячев В.В., опубликовано 28.01.2019) описано индивидуальное устройство для спуска человека с различных высот на площадку приземления, которое состоит из жесткого каркаса, закрепляемого на теле человека с помощью подвесной системы; аэродинамической поверхности в виде, ротора или роторов, вращающихся как вокруг своей продольной оси, например, с помощью набегающего на него потока воздуха, так и вокруг оси, направленной перпендикулярно продольной оси вращения ротора или роторов. Также известное устройство содержит реактивные двигатели, закрепленные на жестком каркасе по бокам туловища и вращающиеся вокруг оси, направленной перпендикулярно продольной оси реактивного двигателя, и систему управления индивидуальным устройством с целью изменения траектории полета человека к площадке его приземления. Данное решение также требует наличия двигателей и по существу может рассматриваться как своего рода «автожир», реализующий задачу горизонтального перемещения (к площадке приземления) посредством управления реактивными двигателями. Кроме того, вследствие наличия двигателей известное устройство является тяжёлым и сложным в производстве и эксплуатации. Данное известное решение может быть принято в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Раскрытие изобретения

Учитывая недостатки рассмотренных выше решений из уровня техники, техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в обеспечении возможности управляемого (контролируемого) спуска человека с высотных объектов с использованием авторотации.

Задача изобретения состоит в создании устройства и способа спуска с высотных объектов при помощи авторотации с возможностью неоднократного регулирования вертикальной скорости устройства, в результате чего обеспечивается по существу «парение» устройства до точки приземления, при этом устройство согласно изобретению позволяет обходиться без использования для спуска каких-либо двигателей или моторов, обеспечивая управляемый и/или контролируемый спуск пользователя с высотного объекта исключительно аэродинамическими средствами (за счёт использования авторотации).

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в обеспечении возможности безопасного спуска человека с высотного объекта посредством регулирования вертикальной скорости.

Для решения вышеуказанной задачи в одном аспекте изобретение предусматривает устройство для спуска с высотных объектов при помощи авторотации, содержащее: два установленных параллельно винта, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси, сиденье пилота, устройство управления шагом винтов и электронный блок расчёта параметров авторотации. При этом в устройстве согласно изобретению винты выполнены свободно вращающимися, причём каждый из винтов выполнен с возможностью установки первичного шага, позволяющего каждому из винтов раскручиваться под влиянием набегающего потока при действии на устройство гравитационных сил, при этом устройство управления шагом винтов выполнено с возможностью управления шагом каждого из винтов для регулирования вертикальной скорости спуска устройства. В одном или более вариантах выполнения устройство согласно изобретению может быть снабжено системой мягкой посадки, содержащей амортизационную штангу для смягчения посадки, причём амортизационная штанга выполнена с возможностью выдвижения вниз после начала раскрутки винтов.

В другом аспекте изобретение предусматривает способ спуска с высотных объектов при помощи авторотации с использованием устройства для спуска с высотных объектов по вышеуказанному аспекту, причём способ содержит этапы, на которых: изменяют шаг каждого из винтов с отрицательного угла атаки на положительный для увеличения подъёмной силы винта, в результате чего снижается скорость вращения винта и вертикальная скорость спуска устройства (этап авторотации); и изменяют шаг каждого из винтов, в результате чего увеличивается скорость вращения винта и вертикальная скорость спуска устройства (этап пикирования).

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана общая схема устройства «Роторайдер» согласно изобретению.

На Фиг. 2 схематично показано положение лопасти винта устройства согласно изобретению относительно набегающего потока воздуха на этапе пикирования.

На Фиг. 3 схематично показано положение лопасти винта устройства согласно изобретению относительно набегающего потока воздуха после изменения пилотом шага винта на этапе авторотации.

На Фиг. 4 графически проиллюстрированы параметры полёта «Роторайдера» на этапах пикирования и авторотации от старта со стационарной высотной поверхности и до приземления.

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство для спуска с высотных объектов при помощи авторотации согласно изобретению, также называемое в контексте настоящей заявки «Роторайдер», относится к безмоторным средствам и выполнено по двухвинтовой соосной схеме и содержит два установленных параллельно винта (пропеллера, ротора), выполненных с возможностью свободного вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси. Каждый из двух винтов может иметь 2, 3 или 4 лопасти в зависимости от конкретного варианта выполнения.

Кроме того, предлагаемое устройство имеет сиденье пилота, соединённое с осью винтов. Ось (общий вал) винтов проходит до сиденья пилота и имеет в месте расположения рук пилота устройство управления шагом винтов (роторов). Под сиденьем пилота предусмотрена система мягкой посадки. В одном или более вариантах выполнения система мягкой посадки выполнена в виде амортизационной штанги для смягчения посадки. Кроме того, под сиденьем пилота предусмотрен электронный блок расчёта параметров авторотации, снабжённый одним или более датчиками, посредством которых измеряются параметры авторотации.

В одном или более вариантах выполнения изобретения в районе расположения головы пилота на оси винтов может быть предусмотрено информационное табло, отображающее основные параметры полёта, такие как, не ограничиваясь, вертикальная скорость, поступательная скорость, высота и т.п.

Кроме того, в устройстве предусмотрены крепёжные ремни пилота, устройства для крепления рук пилота. Устройства для крепления рук пилота позволяют пилоту фиксировать руки на этапах полёта.

Устройство управления шагом винтов содержит рычаги шага винта, соединённые с верхним и нижним винтами, соответственно, механическими тягами шага винта. Более конкретно, механические тяги шага винта соединены с тарелками автомата перекоса каждого из двух винтов. Помимо механических тяг шага винта, в конструкции обоих винтов могут быть предусмотрены и другие механизмы. Лопасти каждого из верхнего и нижнего винтов могут быть присоединены к соответствующему винту посредством одной из широко известных схем крепления лопастей, в зависимости от конкретного варианта выполнения изобретения.

Устройство «Роторайдер» согласно изобретению работает по следующему принципу. После отделения пилота, сидящего на сиденье «Роторайдера» и зафиксированного на устройстве посредством крепёжных ремней пилота, от стационарной высотной поверхности, под действием гравитационных сил набегающий поток воздуха начинает раскручивать винты «Роторайдера» таким образом, что они вращаются вокруг общей геометрической оси в разные стороны. Выбранная компоновка винтов позволяет взаимно компенсировать реактивные моменты пары винтов, исключая необходимость каких-либо дополнительных средств для стабилизации «Роторайдера» по курсу.

Геометрические параметры (такие как длина) лопастей и параметры первичного шага винта (угла разворота лопастей относительно набегающего потока воздуха), а также площадь и количество лопастей определяются в каждом конкретном варианте выполнения изобретения, исходя из максимального коэффициента подъёмной силы при авторотации.

На Фиг. 2 в качестве примера схематично проиллюстрирована одна лопасть одного из двух винтов устройства согласно изобретению на этапе «пикирования» устройства. Стрелкой показано направление движения лопасти. Также показан первичный шаг винта, представляющий собой угол, на который повёрнута лопасть относительно своей продольной оси. Также показано направление обтекания лопасти набегающим потоком воздуха при «пикировании» устройства согласно изобретению под действием гравитационных сил.

При достижении оптимальной скорости раскрутки винтов пилот получает сигнал (визуальный, звуковой и т.п.) и нажимает рычаги шага винта, стабилизируя и корректируя движение по курсу разностью углов атаки винтов - роторов. При этом лопасти, раскрученные набегающим потоком воздуха, изменяют угол атаки и начинают формировать подъёмную силу. При этом скорость вращения винтов, вращающихся по инерции, снижается. Одновременно с этим пикирование «Роторайдера» также замедляется. При этом на определённом этапе вертикальная скорость «Роторайдера» может стать равной 0 или даже приобрести положительное значение, хотя это не является обязательным. Достигается это на этапе полёта, названном «авторотация», который проиллюстрирован на Фиг. 3 на примере положения одной из лопастей винта с шагом винта, изменённым по отношению к первичному шагу винта. Показаны набегающий поток воздуха и поток воздуха, отражённый от лопасти при изменённом шаге винта. Также стрелками проиллюстрированы направление движения лопасти, совпадающее с направлением движения лопасти по Фиг. 2, и направление действия подъёмной силы.

Однако при изменении шага винта с первичного шага на изменённый уменьшается скорость вращения каждого из винтов. При замедлении инерционного вращения винтов подъёмная сила уменьшается, и пилот возвращает рычаги шага винта в исходное положение (на первичный шаг винта), чтобы позволить винтам вновь раскрутиться, за счёт чего устройство согласно изобретению вновь временно переходит к этапу «пикирования».

Таким образом, в ходе полёта «Роторайдера», в зависимости от высоты старта и веса пилота, может иметь место несколько этапов авторотации, как проиллюстрировано графиками на Фиг. 4.

Перед приближением к земле датчики определяют высоту и параметры авторотации для приземления. Расчёт производится таким образом, чтобы вертикальная скорость в момент соприкосновения с землёй была равна 0 или близка к этому значению. При этом приземление на авторотации может дополнительно смягчаться системой мягкой посадки. В качестве неограничивающего примера, в котором система мягкой посадки выполнена в виде амортизационной штанги для смягчения посадки, амортизационная штанга может постепенно выдвигаться после начала раскрутки винтов. Следует понимать, что возможны и другие варианты выполнения системы мягкой посадки, входящие в объём правовой охраны настоящего изобретения.

Управление изменением шага винтов может также выполняться в автоматическом режиме. В одном или более вариантах выполнения электроэнергия для питания автоматики может получаться от небольшого генератора, работающего от вращающихся винтов.

Управление полётом может также осуществляться путём смещения центра тяжести пилота за счёт наклона тела пилота, в частности на этапе авторотации (например, за счёт наклона тела пилота вперёд), в результате чего «Роторайдер» может приобретать небольшую поступательную (горизонтальную) скорость, что может использоваться для выбора места посадки, уклонения от препятствий и т.п.

На Фиг. 4 графически проиллюстрированы параметры полёта «Роторайдера» на этапах пикирования и авторотации от старта со стационарной высотной поверхности и до приземления.

Таким образом, как показано выше, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность безопасного спуска человека с высотных объектов с использованием авторотации путём по существу «парящего» полёта из точки старта на высотном объекте до точки приземления. При этом, в отличие от ближайшего аналога, устройство по изобретению управляется пилотом и может быть использовано не только в качестве средства спасения в чрезвычайных ситуациях, но и в качестве спортивного средства для различных видов спорта, связанных со спуском с высоты.

В отличие от рассмотренных выше известных аналогов, устройство «Роторайдер» при отсутствии задачи горизонтального перемещения обладает следующими преимуществами:

1. Является безмоторным, что выгодно сказывается на массе устройства.

2. Имеет средства управления исключительно для регулирования вертикальной скорости посредством управления шагом каждого из винтов. Это значительно облегчает управление устройством и снижает его массу. При необходимости возможно управление незначительным горизонтальным перемещением за счет переноса центра тяжести пилота или наклоном роторов, по аналогии с вертолетным узлом наклона пропеллеров.

3. Не имеет хвостового оперения за счёт использования двухвинтовой соосной схемы.

4. В зависимости от высоты старта спуск с применением Роторайдера может включать в себя несколько последовательных этапов авторотации, на которых вертикальная скорость может становиться нулевой и даже положительной. Переход от этапов авторотации к этапам пикирования, необходимым для раскрутки винтов, осуществляется пилотом посредством управления шагом винтов.

1. Устройство для спуска с высотных объектов при помощи авторотации, содержащее:

два установленных параллельно винта, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси,

сиденье пилота,

устройство управления шагом винтов и

электронный блок расчёта параметров авторотации,

отличающееся тем, что

винты выполнены свободно вращающимися, при этом каждый из винтов выполнен с возможностью установки первичного шага, позволяющего каждому из винтов раскручиваться под влиянием набегающего потока при действии на устройство гравитационных сил,

при этом устройство управления шагом винтов выполнено с возможностью управления шагом каждого из винтов для регулирования вертикальной скорости спуска устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено системой мягкой посадки, содержащей амортизационную штангу для смягчения посадки, причём амортизационная штанга выполнена с возможностью выдвижения вниз после начала раскрутки винтов.

3. Способ спуска с высотных объектов при помощи авторотации с использованием устройства, содержащего два установленных параллельно винта, выполненных с возможностью свободного вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси, сиденье пилота, устройство управления шагом винтов, систему мягкой посадки и электронный блок расчёта параметров авторотации, при этом каждый из винтов имеет первичный шаг, позволяющий каждому из винтов раскручиваться под влиянием набегающего потока при действии на устройство гравитационных сил,

причём способ содержит этапы, на которых:

изменяют шаг каждого из винтов с отрицательного угла атаки на положительный для увеличения подъёмной силы винта, в результате чего снижается скорость вращения винта и вертикальная скорость спуска устройства, - этап авторотации; и

изменяют шаг каждого из винтов, в результате чего увеличивается скорость вращения винта и вертикальная скорость спуска устройства, - этап пикирования.