Содержание к диссертации
Введение
1 Преобразуемое дисковое крыло 21
1.1 Актуальность решаемой задачи 21
1.2 Способ соединения крыла и несущего винта 24
1.3 Управление углом установки лопастей 26
1.4 О проектировании летательного аппарата с дисковым крылом.. 31
1.5 Технология полета на дисковом крыле с повышенным качеством 33
1.6 Применение дискового крыла в различных схемах летательных аппаратов 43
2 Математическая модель балансировки дисколета 50
2.1 Уравнения балансировки дискового крыла 50
2.2 Алгоритм расчета дисколета 57
2.3 Лопасть на двухопорном торсионе 61
2.4 Нагружение лопасти 71
2.5 Нагрузки, создаваемые дисковым крылом 79
2.6 Оценка достоверности математической модели балансировки дисколета 93
3 Исследование и оптимизация летных характеристик дисколета 98
3.1 Висение 98
3.2 Горизонтальный полет на несущем винте 101
3.3 Горизонтальный полет по-самолетному : 105
4 Заключение 120
5 Литература 121
- Способ соединения крыла и несущего винта
- Технология полета на дисковом крыле с повышенным качеством
- Лопасть на двухопорном торсионе
- Горизонтальный полет на несущем винте
Введение к работе
Актуальность. В работе излагаются исследования предложенного автором вращающегося дискового крыла, из которого на взлете и при посадке выдвигаются лопасти, для создания преобразуемых летательных аппаратов, соединяющих возможности самолета и вертолета. Эти аппараты существуют порознь, выполняя разные задачи и практически не замещая друг друга, хотя в этом есть необходимость там, где нет бетонных взлетно-посадочных полос и грузы не могут быть доставлены самолетами сразу к месту назначения, а перегружаются в больших аэропортах с грузоподъемных самолетов на многие вертолеты, которые имеют малые грузоподъемность, скорость и дальность полета. Часто ограниченная дальность требует дополнительных заправок и не позволяет достичь отдаленных районов Сибири, Арктики, Антарктики и Океании. Для самолета дополнительные заправки представляют собой непреодолимые трудности, для самолета вертикального взлета и посадки дополнительные посадки без аэродромов - штатная операция.
Особенно актуально повышение дальности и грузоподъемности там, где нужно доставить в собранном виде турбину, газоперекачивающую станцию или реактор в места, где нет взлетно-посадочных полос. Как правило, это грузы в 100-200 тонн, а у вертолета максимальная грузоподъемность менее 30 тонн.
В такой ситуации конструкторы, проектирующие системы посадки космических аппаратов, даже и не помышляют о приземлении тяжелых ступеней ракет или воздушно-космических самолетов на лопастных средствах. В нашем же случае такие посадки реальны.
Считается непреодолимым ограничение эксплуатации вертолетов по скорости набегающего потока (ветра) при раскрутке и торможении винта, когда лопасти перед их остановом или в начале вращения имеют малые инерционные силы и изогнуты силами тяжести, то есть имеют большой «стояночный свес». Эффективная изгибная жесткость лопастей падает и большие прогибы, и закручивание приводят к их разрушению набегающим потоком. Для корабельных вертолетов этот поток складывается из скорости хода корабля, скорости ветра и влияния волнения моря. Дисковое крыло раскручивается перед взлетом, когда лопасти еще не выпущены и при посадке они уже имеют большие растягивающие инерционные силы и, следовательно, большую эффективную изгибную жесткость, позволяющую при выпуске преодолеть любые воздушные потоки.
Такая возможность преобразования летательного аппарата с дисковым крылом, не зависящего от погодных условий, позволит создать авианосцы с вертикально-взлетающими истребителями на борту, способными обороняться от любых самолетов противника, и атаковать вражеские корабли, когда по погодным условиям самолеты с них взлетать не могут.
Дисковое крыло малого удлинения с чечевицеобразным или шестиугольным профилем может быть хорошим сверхзвуковым крылом.
Очень перспективным направлением в современной авиации является создание дистанционно-пилотируемых самолетов военного назначения, взлет и посадка которых в полевых условиях невозможна. Для взлета используется специальное стартовое устройство, которое необходимо перевозить в район военных действий, а возможность посадки практически исключена. Здесь, как нигде, необходим самолет вертикального взлета и посадки.
Цель работы. Диссертация посвящена задаче создания нового принципа полета:
на вращающемся дисковом крыле, из которого на взлете и при посадке выдвигаются лопасти вертолетного типа, превращая летательный аппарат в самолет вертикального взлета и посадки (СВВП);
на дисковом крыле, из которого на большой скорости после его останова выдвигаются небольшие консоли крыла большого удлинения для полета с большим аэродинамическим качеством;
созданию основ проектирования и конструирования самолетов и средств посадки космических аппаратов с дисковым крылом;
построению теории балансировки СВВП на режиме висения, горизонтального полета на несущем винте с дополнительной горизонтальной тягой и полета на дисковом крыле с выдвинутыми консолями;
на лопастях эластичных и жестких, навешенных на двухопорных торсионах;
с реактивным вращением дискового крыла и вращением от вала несущего винта;
и доведения его до уровня, позволяющего начать проектирование и конструирование одного из типов летательных аппаратов с дисковым крылом.
Научная новизна. В диссертации предлагаются: новый принцип создания самолетов вертикального взлета и посадки; основы их проектирования и конструирования; технология полета; способ повышения аэродинамического качества дискового крыла; математические модели балансировки дисколета, а также двухопорного торсиона, как составной части модели аэроупругого расчета несущего винта с бесшарнирной втулкой; а также результаты численных исследований летных характеристик дисколета на установившихся режимах полета.
Достоверность конструкторского решения способа уборки лопастей подтверждена на экспериментальных моделях в лаборатории кафедры строительной механики летательных аппаратов КГТУ им. А.Н. Туполева.
Достоверность методов расчета балансировки СВВП с дисковым крылом достигается использованием апробированных гипотез и предположений, а так же сравнением с результатами летных экспериментов, проведенных на вертолете «Ансат», расчета его балансировки, как предельного перехода от СВВП, не имеющего дискового крыла и устройства для горизонтальной тяги, к вертолету с втулкой развитой до диаметра диска-крыла.
Практическая ценность. Предложенный принцип полета разработан и позволяет:
проводить проектирование и конструирование дискового крыла с выдвигающимися из него лопастями, превращающими его на взлете и при посадке в несущий винт;
превращать дисковое крыло в диск с выдвигающимися из него небольшими консолями крыла большого удлинения для полета на больших скоростях с высоким аэродинамическим качеством;
проектировать сверхзвуковые СВВП с диском, имеющим чечевицеобразный или многоугольный профиль;
создавать космические аппараты, изменяющие процедуру «спасения» при возвращении на Землю на штатную посадку в заданную точку;
вести расчеты лопастей с двухопорными торсионами в геометрически нелинейной постановке по теории больших перемещений;
исследовать балансировку СВВП с дисковым крылом на режимах взлета, полета на несущем винте с дополнительной горизонтальной тягой и полета на дисковом крыле с дополнительными консолями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на втором международном конгрессе "Нелинейный динамический анализ NDA 2" (Москва, 3-8 июня 2002), на международных научно-практических конференциях "Авиакосмические технологии и оборудование" (Казань 2002, 2004, 2006, 2008), на всероссийских (с международным участием) молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань 2003, 2005, 2006, 2007, 2008), на всероссийской молодежной научной конференции «XXX Гагаринские чтения» (МАТИ, Москва-2004), на VII Международном симпозиуме "Актуальные проблемы прикладной физики, машиностроения и механики сплошных и сыпучих сред" (Москва -2004), на XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань 2005), на конференции "Региональные аспекты "Стратегии развития транспорта" (Казань 2006), на 33rd European Rotorcraft Forum (Kazan, Russia, 2007).
Построены модели дискового крыла, проведены аэродинамические продувки и эксперименты, подтверждающие состоятельность разработки. Строится дистанционно-пилотируемая летающая модель СВВП «Дисколет».
Объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 130 страниц машинописного текста, 88 рисунков, 2 таблицы и список использованной литературы из 109 наименований.
Способ соединения крыла и несущего винта
Лопасти дисколета закреплены на двухопорных торсионах, распложенных в диске, которые после выпуска соединяются с лопастями в единый стержень. Поэтому возникла необходимость решения задачи упругого деформирования стержня закрепленного с двух концов и определяющего маховые движения лопасти.
Много работ посвящено исследованию задач статики, динамики и устойчивости авиационных конструкций, базирующихся на стрежневой расчетной схеме. Как правило, в них учитывается конечность перемещений, но в разрешающих уравнениях накладываются ограничения на величину этих перемещений или линеаризуются сами уравнения. Довольно широко используется теория упругой линии двоякой кривизны [23, 24, 25, 26]. В середине 60-х годов нашла широкое применение методика расчета деформаций лопасти несущего винта, разработанная А.В. Некрасовым [27, 28]. В начале 70-х годов наиболее существенный вклад в развитие методов расчета деформаций лопастей несущих винтов внесли работы А.Ю. Лисса. [29, / ЗО] Лиссом А.Ю. в разложении деформаций применены формы связанных собственных колебаний лопасти с учетом изгиба в двух плоскостях и кручения. Применение теории больших перемещений в полном объеме стало возможным благодаря развитию эффективных численных методов решения задач строительной механики, которые позволяют заменять дифференциальные уравнения системой нелинейных алгебраических уравнений. С появлением этих методик теория больших перемещений тонких стержней [31, 32] получила дальнейшее развитие в работах [33, 34] и развилась в геометрически нелинейную теорию пространственно-деформированных стержневых конструкций крыльевого профиля [35, 36, 37, 38, 39, 40].
Математическое обеспечение, созданное на основе теории пространственно-деформированных стрежней, успешно применяется при моделировании реальных процессов, и при этом были получены достаточно точные результаты, подтвердившиеся на практике. Поэтому моделирование деформирования двухопорного торсиона проведено на основе теории пространственно-деформируемых стержневых конструкций.
В диссертации предлагаются: новый принцип создания самолетов вертикального взлета и посадки; основы их проектирования и конструирования; технология полета; способ повышения аэродинамического качества дискового крыла; математические модели балансировки дисколета, а также двухопорного торсиона, как составной части модели аэроупругого расчета несущего винта с бесшарнирной втулкой; а также результаты численных исследований летных характеристик дисколета на установившихся режимах полета.
Глава 1 — посвящена обоснованию актуальности поставленной задачи, описанию способов соединения дискового крыла и несущего винта, управлению лопастями с помощью серворулей и лопастями, закрепленными на двухопорных торсионах, расположенных внутри диска-крыла, предлагаются приемы проектирования СВВП с дисковым крылом, технология полета, включающая в себя переходные режимы уборки лопастей в горизонтальном полете и выдвижения консолей крыла большого удлинения, а также перспективам внедрения дискового крыла вертикального взлета и посадки в летательные аппараты различных назначений.
Глава 2 - содержит формирование математической модели балансировки дисколета, состоящей из уравнений равновесия и алгоритма расчета дисколета, который представлен для режима висения, горизонтального полета на несущем винте и полета по самолетному на дисковом крыле. Показаны результаты оценки достоверности математической модели балансировки дисколета. Строится модель упругого деформирования лопасти на гибком двухопорном торсионе, алгоритм расчета и представлены результаты исследования сходимости такого расчета в зависимости от числа точек по длине торсиона; определяются аэродинамическая нагрузка на лопасть и ее массово-инерционные характеристики, строятся уравнения моментов сил, загружающих лопасть, и их суммирование на втулке несущего винта; исследуется нагружение дискового крыла аэродинамической нагрузкой с помощью программы «Fluent».
Глава 3 - посвящена численной реализации полученных во второй главе математических моделей и алгоритмов расчета. Доказывается, что при уменьшении ометаемой площади за счет включения в нее диска-крыла, более короткие лопасти (более чем в 2 раза), не работающие на максимальных скоростях полета, а только на взлете и при посадке, могут быть выполнены без геометрической крутки и создавать необходимую подъемную силу при меньших значениях общего шага, чем традиционные закрученные лопасти большей длины. Показываются возможности балансировки дисколета на висении в широком диапазоне углов тангажа, что может быть использовано в эксплуатации, например, при посадке на неровную поверхность для избежания земного резонанса. Исследуется зависимость потребной тяги несущего винта, тяги движителя, мощности1 двигателя от угла атаки и скорости полета дисколета; продольный баланс на различных углах атаки дискового крыла в горизонтальном полете до уборки несущего винта; рассматривается балансировка дисколета на самолетном и переходном режимах, оценивается влияние на продольный баланс продольных составляющих тяги несущего и рулевого винтов, тяги движителя и сопротивления планера, приближенный расход мощности двигателя на все составляющие продольных сил; проводится анализ схемы крыла, в которой для достижения высокого качества из диска-крыла выдвигаются консоли большого удлинения, показывается результативность такого подхода по скорости полета и по расходу мощности.
Основные результаты диссертации изложены в научных статьях [41, 42, 43, 44, 45], основаны на изобретениях автора [46, 47, 48], докладывались на научно-технических конференциях [49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70] и опубликованы в журнале «Техника молодежи» [71].
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Михайлову С.А, а также к.т.н. Гирфанову А.М. за ценные советы, поддержку и помощь в работе.
Технология полета на дисковом крыле с повышенным качеством
Возможность вертикального взлета и посадки позволит реализовать концепцию безаэродромной авиации: отказаться от строительства дорогостоящих взлетно-посадочных полос, приблизить авиацию к городу и деревне, заниматься вахтовой эксплуатацией районов Сибири, крайнего Севера, Арктики и Океании, освоить новые технологии строительства, транспорта, спасения исследования космического пространства и океана, дать новый импульс развитию цивилизации.
Поставленная задача достигается тем, что в самолете, имеющем крыло, несущий винт, фюзеляж, оперение, двигатели и систему управления, крыло, выполненное круглым в плане и вращающимся истекающим из его сопел на некотором радиусе газами, содержит выдвигающиеся из него на взлете и посадке лопасти несущего винта, которые управляются автоматом перекоса, отклоняющим серворули, расположенные на концах лопастей. Двигатели вырабатывают газы для вращения крыла на взлете и посадке, и создают реактивную тягу горизонтальном полете. Крыло при этом участвует в управлении по курсу на взлете и посадке, которое в сторону вращения крыла осуществляется торможением крыла относительно оси, неподвижно укрепленной в фюзеляже, а в сторону обратную вращению - выдвижением интерцептора из фюзеляжа в сторону сопел истекающих из крыла газов. Крыло позволяет в горизонтальном полете управлять по-самолетному рулями направления и элевонами, расположенными на оперении, с учетом гироскопического момента крыла. [47]
Основной отличительной особенностью предлагаемого самолета является круглое вращающееся крыло, которое может быть выполнено в виде осесимметричного диска, расположенного над или под фюзеляжем, образуя высокоплан или низкоплан. Крыло может состоять из двух дисков, вращающихся в разные стороны, расположенных по аналогии с вертолетами по продольной, поперечной или соосной схеме, в которых диски могут располагаться над и под фюзеляжем. У сверхзвукового самолета диск может иметь чечевицеобразный или многоугольный профиль в сечениях параллельных набегающему потоку воздуха.
Диск может иметь разрез параллельный диаметральной плоскости, разделяющей его на две части, одна из которых жестко соединена с конструкцией самолета, а другая имеет возможность вращения и содержит сопла и выдвигающиеся лопасти. Неподвижная часть диска может представлять собой фюзеляж с укрепленными на нем, или в нем двигателями и пассажирской кабиной, укрепленным на нем оперением, а вращающаяся часть, расположенная выше или ниже неподвижной, содержит сопла и выдвигающиеся лопасти. Такой самолет, похожий на «летающее крыло» можно назвать «летающим диском». Самолет может иметь диск, разрезанный по двум плоскостям, параллельным диаметральной, выше или ниже ее, и только средняя часть, содержащая сопла и лопасти, вращается, а верхняя и нижняя жестко соединены между собой через ось и неподвижны относительно самолета и составляют с ним единую конструкцию. На Рис. 1.6.2 представлен один из вариантов реализации изобретения (Применение двухкилевого оперения связано только с расположением двигателей). Самолет содержит крыло 1, лопасти 2, серворули 3, двигатели 4, сопла 5, фюзеляж 6, элевоны 7, рули 8, интерцептор 9, тормозную систему 10. Крыло 1, из которого выдвигаются лопасти 2, управляемые автоматом перекоса, отклоняющим серворулями 3, вращается газами, которые поступают в него от двигателей 4 и вытекают через сопла 5, обеспечивая вращение крыла 1. На фюзеляже 6 укреплено горизонтальное оперение с элевонами 7 и вертикальное оперение с рулями 8, а также интерцептор 9 и тормозная система 10. Перед взлетом начинают работать двигатели 4, подавая газы под давлением в крыло 1. Истечение газов из сопел 5 крыла 1 заставляет его вращаться. Уменьшая трение в тормозной системе 10, летчик выпускает из крыла лопасти 2. Создавая общий шаг лопастей серворулями 3, летчик переводит самолет в режим висения. Серворулями 3 с помощью автомата перекоса создается положительный угол атаки крыла 1 и одновременно двигатели 4 создают горизонтальную тягу. Начинается полет на малой скорости. Пока не эффективны рули направления 8 управление поворотом фюзеляжа 6 в сторону вращения крыла осуществляется увеличением момента трения между крылом и осью его вращения, неподвижно закрепленной в фюзеляже 6, с помощью тормозной системы 10, а поворот фюзеляжа 6 в сторону, обратную вращению крыла 1, создается выдвижением интерцептора 9 в зону выдува газов из сопел 5 крыла 1. Углы крена в это время создаются серворулями 3, управляющимися автоматом перекоса. Они изменяют по азимуту углы атаки,лопастей, 2. С увеличением скорости полета подъемная сила крыла 1 растет, а лопасти 2 убираются в крыло 1 тормозной системой 10. Управление по крену и тангажу осуществляется элевонами 7 с учетом гироскопических моментов крыла 1, управление по курсу и гашения момента трения в соединении фюзеляжа 6 с крылом 1 - рулями 8. Если крыло 1 в полете не вращается, то управление рулями 8 и элевонами 7 ничем не отличается от известного самолетного. При уменьшении скорости полета перед посадкой из крыла 1 выдвигаются лопасти 2. Управление по крену и тангажу незаметно для летчика передается автомату перекоса, так как управление элевонами 7 и автоматом перекоса связаны и выполняются одними и теми же движениями штурвала управления. Аналогично связано с педалями управление рулями 8 и управление по курсу с помощью интерцептора 9 и тормозной системы 10. После вертикальной посадки лопасти 2 убираются в крыло 1 с помощью тормозной системы 10. Полет закончен.
Представленная на Рис. 1.6.2 схема самолета с реактивным способом вращения дискового крыла интересна тем, что построенный на ее основе СВВП не имеет редуктора, обычно так необходимого при создании вертолета, свободен от реактивного момента, не имеет тянущего и хвостового винтов. Их задачи могут быть выполнены реактивными потоками. Реализация реактивного способа вращения винта и горизонтального полета изображена на рисунке 1.6.3.
Неприятной особенностью реактивного способа вращения несущего винта может быть увеличение необходимой мощности двигателя, величина которой практически обратно пропорциональна радиусу расположения сопел выдуваемых из крыла газов. Такое увеличение мощности будет оправданным, если это скоростной самолет типа истребителя, которому для достижения высоких скоростей необходима большая мощность, превышающая мощность, потребную для вертикального взлета.
Лопасть на двухопорном торсионе
Развивалось направление, в котором предполагалось лопасти частично втягивать в дисковый обтекатель втулки несущего винта, который в горизонтальном полете создает приращение к подъемной силе основного традиционного крыла. Это «Дискротор» фирмы «Райан», который так и не был построен. Идут работы на Тайване по созданию дискового крыла, но они пока не эффективны.
Одним из важнейших этапов создания новой авиационной техники является математическое моделирование ее летных возможностей. Для их оценки, которых требуется решение задачи балансировки. Модели балансировки дисколета до сегодняшнего дня не существовало. Поэтому возник вопрос о выборе прототипа. Вследствие того, что дисколет оснащен несущим винтом, как и вертолет, то выбор пал на вертолетные модели решения задачи расчета баланса сил и моментов.
К наиболее известным способам следует отнести работу Браверманна [21] в которой решена задача балансировки вертолета с разделением на продольную и поперечную. Кроме этого, в вертолетной промышленности были разработаны более эффективные методики расчета без традиционного разделения на продольную и поперечную балансировку, учитывающие конструктивные особенности несущих винтов с шарнирным креплением лопастей (наличие демпферов вертикальных шарниров, деформации лопастей и т.д.). Здесь следует отметить диссертацию А.Ю. Лисса, защищенную в 1974 году, где разработан метод корректировки балансировочных характеристик с учетом упругости лопастей [22].
Общим недостатком рассмотренных выше работ является то, что они ориентированы на вертолеты, оснащенные шарнирным винтом. Такого рода модели неплохо зарекомендовали себя для вертолетов, для которых характерно слабое изменение коэффициента сопротивления фюзеляжа по углу атаки, небольшие размеры крыла, а также разнос горизонтальных шарниров менее 5%.
Для предлагаемого летательного аппарата данный способ решения задачи балансировки неприемлем, так как в этом случае оба условия будут нарушаться. Поэтому было обращено внимание на математическую модель пространственной балансировки вертолета с бесшарнирным винтом, разработанную в Казани [83]. В этой модели таких ограничений не заложено. Кроме того она была апробирована при проектировании и летных испытаниях вертолета «Ансат», производимого на ОАО «Казанский вертолетный завод». Взяв за основу алгоритм решения, предложенный в этой работе, автором была разработана комплексная математическая модель пространственной балансировки дисколета, основанная на нескольких способах полета, таких как: на несущем винте совместно с дисковым крылом; на дисковом крыле; на дисковом крыле с выдвигаемыми аэродинамическими консолями крыла.
Лопасти дисколета закреплены на двухопорных торсионах, распложенных в диске, которые после выпуска соединяются с лопастями в единый стержень. Поэтому возникла необходимость решения задачи упругого деформирования стержня закрепленного с двух концов и определяющего маховые движения лопасти.
Много работ посвящено исследованию задач статики, динамики и устойчивости авиационных конструкций, базирующихся на стрежневой расчетной схеме. Как правило, в них учитывается конечность перемещений, но в разрешающих уравнениях накладываются ограничения на величину этих перемещений или линеаризуются сами уравнения. Довольно широко используется теория упругой линии двоякой кривизны [23, 24, 25, 26].
В середине 60-х годов нашла широкое применение методика расчета деформаций лопасти несущего винта, разработанная А.В. Некрасовым [27, 28]. В начале 70-х годов наиболее существенный вклад в развитие методов расчета деформаций лопастей несущих винтов внесли работы А.Ю. Лисса. [29, / ЗО] Лиссом А.Ю. в разложении деформаций применены формы связанных собственных колебаний лопасти с учетом изгиба в двух плоскостях и кручения. Применение теории больших перемещений в полном объеме стало возможным благодаря развитию эффективных численных методов решения задач строительной механики, которые позволяют заменять дифференциальные уравнения системой нелинейных алгебраических уравнений.
С появлением этих методик теория больших перемещений тонких стержней [31, 32] получила дальнейшее развитие в работах [33, 34] и развилась в геометрически нелинейную теорию пространственно-деформированных стержневых конструкций крыльевого профиля [35, 36, 37, 38, 39, 40]. Математическое обеспечение, созданное на основе теории пространственно-деформированных стрежней, успешно применяется при моделировании реальных процессов, и при этом были получены достаточно точные результаты, подтвердившиеся на практике. Поэтому моделирование деформирования двухопорного торсиона проведено на основе теории пространственно-деформируемых стержневых конструкций. В диссертации предлагаются: новый принцип создания самолетов вертикального взлета и посадки; основы их проектирования и конструирования; технология полета; способ повышения аэродинамического качества дискового крыла; математические модели балансировки дисколета, а также двухопорного торсиона, как составной части модели аэроупругого расчета несущего винта с бесшарнирной втулкой; а также результаты численных исследований летных характеристик дисколета на установившихся режимах полета.
Горизонтальный полет на несущем винте
В работе излагаются исследования предложенного автором вращающегося дискового крыла, из которого на взлете и при посадке выдвигаются лопасти, для создания преобразуемых летательных аппаратов (ПЛА), соединяющих возможности самолета и вертолета (Рис. 1.1.1). Эти аппараты существуют порознь, выполняя разные задачи и практически не замещая друг друга, хотя в этом есть необходимость там, где нет бетонных взлетно-посадочных полос (ВПП) и грузы не могут быть доставлены самолетами сразу к месту назначения, а перегружаются в больших аэропортах с грузоподъемных самолетов на многие вертолеты, которые имеют малые грузоподъемность, скорость и дальность полета. Часто ограниченная дальность требует дополнительных заправок и не позволяет достичь отдаленных районов Сибири, Арктики, Антарктики и Океании. Для самолета дополнительные заправки представляют собой непреодолимые трудности, для СВВП дополнительные посадки без аэродромов - штатная операция. Особенно актуально повышение дальности и грузоподъемности там, где нужно доставить в собранном виде турбину, газоперекачивающую станцию или реактор в места, где нет ВПП. Как правило, это грузы в 100-200 тонн, а у вертолета максимальная грузоподъемность менее 30 тонн.
В такой ситуации конструкторы, проектирующие системы посадки космических аппаратов, даже и не помышляют о приземлении тяжелых ступеней ракет или воздушно-космических самолетов на лопастных средствах. И каково же было удивление жюри Российско-Американского конкурса имени писателя-фантаста Роберта Хайнлайна, когда мы (команда КГТУ-КАИ выиграла первый такой конкурс) представили разработку средства посадки на дисковом крыле ступеней ракет весом до 60 тонн (Рис. 1.1.2).
Считается непреодолимым ограничение эксплуатации вертолетов по скорости набегающего потока (ветра) при раскрутке и торможении винта, когда лопасти перед их остановом или в начале вращения имеют малые инерционные силы и изогнуты силами тяжести, то есть имеют большой «стояночный свес». Эффективная изгибная жесткость лопастей падает и большие прогибы, и закручивание приводят к их разрушению набегающим потоком. Для корабельных вертолетов этот поток складывается из скорости хода корабля, скорости ветра и влияния волнения моря. Дисковое крыло раскручивается перед взлетом, когда лопасти еще не выпущены и при посадке они уже имеют большие растягивающие инерционные силы и, следовательно, большую эффективную изгибную жесткость, позволяющую при выпуске преодолеть любые воздушные потоки.
Такая возможность преобразования ПЛА с дисковым крылом, не зависящего от погодных условий, позволит создать авианосцы с вертикальновзлетающими истребителями на борту, способными обороняться от любых самолетов противника, и атаковать вражеские корабли (Рис. 1.1.3), когда по погодным условиям самолеты с них взлетать не могут. Дисковое крыло малого удлинения с чечевицеобразным или шестиугольным профилем может быть хорошим сверхзвуковым крылом.
Очень перспективным направлением в современной авиации является создание дистанционно-пилотируемых самолетов военного назначения, взлет и посадка которых в полевых условиях невозможна. Для взлета используется специальное стартовое устройство, которое необходимо перевозить в район военных действий, а возможность посадки практически исключена. Здесь, как нигде, необходим самолет вертикального взлета и посадки.
Проблема создания СВВП, так интенсивно развиваемая в середине двадцатого века [10, 11, 13], в последние годы как-то ушла из категории насущных и необходимых. Может быть, это связано с тем, что период конца 20 века характеризуется относительно мирным разрешением конфликтов, без больших войн мирового масштаба, требующих быстрого реального решения задач, когда появление новых идей быстро реализуется, проходит апробацию и остается жить, или уходит в забвение. С другой стороны, очень много надежд возлагалось на схему V-22 "Osprey", которая обещала значительное продвижение в технологии полета (увеличение скорости полета до 550 км/час), но оказалась плохо пригодной для мирных задач с ее ограничениями по грузоподъемности, дальности полета, сложности переходных режимов, невозможности горизонтальной посадки, да и по скорости.
В диссертации предлагается способ соединения крыла самолета и несущего винта на основе крыла в виде осесимметричного диска, в который могут убираться лопасти вертолетного типа, участвующие при создании вертикальной тяги на взлете и при посадке (Рис. 1.2.1).
Очень важным элементом преобразования этих агрегатов явился способ уборки и выпуска лопастей [46, 48], удачно использующий инерционные силы при выпуске лопастей и кинетическую энергию вращающейся системы при их уборке. [45, 49]
