Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования детей и молодежи «Центр технического творчества «Автомобилист"

Летательный аппарат вертикального взлета и посадки и перспективы использования ЛА данного типа

Выполнил:

Корепанов Кирилл Эдуардович

Руководители проекта:

Шестаков Игорь Александрович

(Кандидат технических наук)

Ладыгин Валерий Николаевич

(Педагог высшей категории)

Ижевск 2014-1015

Содержание

1. Введение

2. Заявленные цели проекта

3. Описание полученных результатов

4. Эскизный проект атмосферного летательного аппарата

вертикального взлета и посадки

5. Инженерный проект атмосферного летательного аппарата

Вертикального взлета и посадки

6. Опытно-конструкторские работы

7. Основные технические характеристики

8. Испытания силового агрегата модели атмосферного

летательного аппарата вертикального взлета и посадки

9. Перспективы использования летательного аппарата вертикального взлета и посадки в будущем.

10. Закупленные детали и узлы

11. Закупленные материалы, заготовки

12. Выводы

13. Литература

1. Введение

С самого начала выполнения работ по проекту была сделана ставка не только на эскизное и инженерное проектирование, но и на получение практического результата. Уже в декабре 2013 года проведено эскизное проектирование, приобретен авиамодельный двигатель внутреннего сгорания, глушитель и топливный бак к нему, несущий винт под данный двигатель. В январе – феврале 2014 года проведено инженерное проектирование. В марте были начаты опытно-конструкторские работы. Весь силовой блок изготавливался с марта по август 2014 года. На данной стадии выполнения проекта особенностью явилось использование в качестве движителя несущего винта. Использование в качестве движителя несущего винта так же позволяет создать массовый воздушный транспорт, так как реактивные двигатели сложны в использовании и обслуживании.

Так же, просмотрев большое количество источников, я обнаружил, что в прошлом  мало кто пытался создать аппарат такого типа.

25 октября 2014 года проведена обкатка двигателя летательного аппарата вертикального взлета и посадки и кратковременно повышена мощность, при этом летательный аппарат, закрепленный на верхней части стенда, взлетел при достижении мощности двигателя 70%. Это говорит о том, что данная идея конструкции жизнеспособна и ее необходимо развивать дальше.

2. Заявленные цели проекта

1. Эскизный проект атмосферного летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

2. Инженерный проект атмосферного летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

3. Поиск и оптимизация формы летательного аппарата вертикального взлета и посадки для создания наибольшей подъемной силы и создание адекватной математической модели.

4. Создание летающей модели летательного аппарата вертикального взлета и посадки в масштабе 1:2.

5. Предложить перспективы использования ЛА данного типа.

Описание полученных результатов

Эскизный проект атмосферного летательного аппарата

В декабре 2013 года проведено эскизное проектирование главного силового блока летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Изобретение относится к области авиационных летательных аппаратов тяжелее воздуха и, в частности, к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки.

Известна конструкция вертолета МИ-8, журнал «Техника молодежи» №1, стр. 32, 1970 г., состоящая из фюзеляжа, несущего винта, хвостового винта, опорных колес.

Недостатком данной конструкции является низкая активная безопасность: большие продольные и поперечные габариты из-за наличия длинной хвостовой балки и большого диаметра несущего винта, что в экстренной ситуации не позволяет пилоту полноценно почувствовать габариты вертолета и избежать столкновения с линиями электропередач, деревьями, зданиями и сооружениями. Недостатком так же является низкая пассивная безопасность: при столкновении несущего винта с препятствием, он мгновенно разрушается, части винта с большой скоростью разлетаются по всем направлениям и представляют большую опасность не только для пилота и пассажиров, разрушая силовой каркас вертолета, но и для окружающих людей, при столкновении хвостового винта с препятствием, он разрушается, перестает компенсировать реактивный крутящий момент, вертолет начинает вращаться вокруг вертикальной оси, несущий винт теряет тягу, вертолет падает и при столкновении с землей фюзеляж либо выдерживает вертикальные перегрузки, либо разрушается, при этом несущий винт может задеть грунт и так же разрушиться.

Известен летательный аппарат типа «Летающей тарелки», патент RU 2365522 МПК B64C39/06, B64C27/20, B64C29/02, публ. 27.08.2009, состоящий из куполообразного салона, перекрытия, машинного отделения с моторами, редуктора, винта вертикального подъема, вертикального вала, подшипниковой опоры, катушки и трех опорных колес. В конструкции летательного аппарата применено составное кольцеобразное крыло, неподвижное крыло которого прикреплено к машинному отделению ниже потолка перекрытия. Подвижное крыло входит в состав винта вертикального подъема, соединено неподвижно со ступицей ребрами и шарнирно с лопастями винта.

Недостатком приведенного аппарата является использование в качестве получения подъемной силы малой части верхней поверхности летающей тарелки – только кольцевой площадки составного крыла, а поверхность купола при подъеме и полете на малых скоростях не участвует в образовании подъемной силы по закону аэродинамики. В процессе получения подъемной силы участвует только воздух, имея относительно малую скорость по сравнению с продуктами сгорания реактивного двигателя, таким образом, значительно уменьшая возможную подъемную силу, которая по закону аэродинамики сильно зависит от скорости газа над крылом. Недостатками также являются: высокое сопротивление воздуха узкой кольцевой щели на входе и щелевидных отверстий на выходе, сложность конструкции в связи с применением редуктора, двух двигателей, устройства поворота лопастей и, как следствие, увеличение массы. Недостатком так же является уменьшение эффективности работы винта вертикального подъема, так как он стоит после кольцеобразного крыла и работает на всасывание при большом сопротивлении узкой кольцеобразной щели.

В качестве прототипа выбран летательный аппарат вертикального взлета и посадки, патент RU 2365522.

Задача изобретения – устранение указанных недостатков, то есть получение высокоэффективного летательного аппарата вертикального взлета и посадки с простотой конструкции и высокой подъемной силой, повышение активной и пассивной безопасности, с простым и удобным управлением, способность возвращаться в положение равновесия при отклонении оси симметрии от вертикального положения, применяя сочетание принципов создания подъемной силы самолета и вертолета.

Управление аппаратом

Поворот вокруг вертикальной оси. По умолчанию электронный блок управления 22 отслеживает малейшие угловые перемещения вокруг вертикальной оси, и включает в работу электрические двигатели 40 с рулевыми винтами 41, которые в каждый момент времени создают суммарный момент M_R и уравновешивают реактивный крутящий момент M_Дв от двигателя 2 и несущего винта 3. Таким образом, по умолчанию летательный аппарат находится в равновесном положении (рис. 1).

[i]

Рис. 1 – Пилотируемый летательный аппарат вертикального взлета и посадки в равновесном положении (вид сверху);

Начало поворота летательного аппарата против часовой стрелки, если смотреть сверху, характеризуется усиленной работой электрических двигателей 40 с рулевыми винтами 41, при этом усиление электрического сигнала контролируется электронным блоком управления 22 и по требованию органов управления 52 (рис. 2).

[i]

Рис. 2 – Пилотируемый летательный аппарат вертикального взлета и посадки в режиме поворота против часовой стрелки (вид сверху);

Электрические двигатели 40 с рулевыми винтами 41 работают в таком режиме в течении времени, необходимого для поворота на заданный угол. При завершении поворота происходит возвращение режима работы электрических двигателей 40 с рулевыми винтами 41 в исходный и дальнейшее кратковременное уменьшение оборотов, при этом возникает тормозящий момент, останавливающий поворот фюзеляжа. Для поворота по часовой стрелке, пилот подает посредством органов управления 52 соответствующую команду в электронный блок управления 22, который управляет работой электрических двигателей 40 с рулевыми винтами 41, которые уменьшают обороты и соответственно тягу, а летательный аппарат, при этом, поворачивается по часовой стрелке (рис. 3). При завершении необходимого поворота летательного аппарата, двигатели 40 с рулевыми винтами 41 кратковременно увеличивают обороты, компенсируют приданный момент импульса и возвращаются в исходное положение.

[i]

Рис. 3 – Пилотируемый летательный аппарат вертикального взлета и посадки в режиме поворота по часовой стрелке (вид сверху)

Достоинства перед аналогами и прототипом. Конструкция каркаса и компоновка летательного аппарата обеспечивают высокую жесткость, высокий запас прочности при перегрузках и, как следствие, значительное повышение активной и пассивной безопасности.

Достоинство на малых скоростях полета летательного аппарата – остойчивость, это способность возвращаться в положение равновесия при отклонении оси симметрии от вертикального положения. Здесь важную роль играют как система стабилизации, так и компоновка – расположение центра тяжести как можно ниже. Особенно это относится к взлету и посадке: управление должно быть удобным и простым.

Отличительной особенностью летательного аппарата является маневренность: движение влево, вправо, назад, вперед, вертикально вверх, вертикально вниз.

При взлете и посадке на грунт в связи с тем, что забор воздуха происходит либо из самой верхней точки летательного аппарата, либо внутри фюзеляжа, то многократно уменьшается забор воздуха с песком, пылью, частицами грунта, травой, листьями. Особенно эта проблема актуальна при посадке на песчаный грунт, когда поднимаются клубы пыли, песка, растительности.

Основное внимание уделено активной безопасности летательного аппарата. В случае отказа всех бортовых систем, у пилота есть шанс выпустить парашюты и приземлиться.

Таким образом, данная компоновка и конструкция является наиболее безопасной для летального аппарата на скоростях до 300 км/ч.

 Инженерный проект и создание главного силового блока модели 1:2 атмосферного летательного аппарата вертикального взлета и посадки

В январе – феврале 2014 года проведено инженерное проектирование летательного аппарата вертикального взлета и посадки. В марте начаты опытно-конструкторские работы по созданию главного силового блока летательного аппарата. Весь силовой блок изготавливался с марта по август 2014 года.

Опытно-конструкторские работы

На первом этапе ОКР турбореактивный двигатель заменен на ДВС с несущим винтом. При этом максимальное значение подъемной силы будет зависеть от формы верхней поверхности летательного аппарата, которая взаимодействует с потоком воздуха. Фюзеляж летательного аппарата выполнен по каркасно-оболочечной схеме. Приобретен авиамодельный двигатель внутреннего сгорания, глушитель и топливный бак к нему, несущий винт под данный двигатель. Ниже представлены чертежи всех деталей, которые использовались при изготовлении.

[i]

Рис. 4 Лейнеры – продольные силовые элементы каркаса верхней части летательного аппарата (фанера 6 мм)

Лейнеры придают прочность и жесткость фюзеляжу в вертикальной плоскости, для их изготовления используется высококачественная фанера толщиной 6 мм, сначала по размерам вырезается лекало, а затем по лекалу вычерчиваются и вырезаются заготовки.

[i]

Рис. 5 Лейнеры – продольные силовые элементы каркаса нижней части летательного аппарата (фанера 6 мм)

[i]

Рис.6 Пилон – силовой элемент, связывающие верхнюю часть летательного аппарата и аэродинамическое кольцо (фанера 6мм)

[i]

Рис. 7 Шпангоуты – силовые элементы аэродинамического кольца, связывают верхнее и нежнее плоские кольца, образуя каркас аэродинамического кольца (фанера 4 мм)

[i]

Рис. 8 Пилоны – силовые элементы, связывающие верхнюю часть летательного аппарата и аэродинамическое кольцо (фанера 6 мм)

При работе несущего винта на максимальных оборотах, снизу на аэродинамическое кольцо действует сила, составляющая до 50% от тяги, поэтому пилону, на которые крепится аэродинамическое кольцо, должны с запасом выдерживать эту нагрузку, для этого берется высококачественная фанера толщиной 6 мм.

[i]

Рис. 9 Каркас шасси (фанера 6 мм, фанера 4 мм)

[i]

Рис. 10 Кронштейны – закрепляются на нижней части летательного аппарата, имеют шпильки, на которые сверху насаживается верхняя часть летательного аппарата и фиксируется гайками (фанера 6 мм)

[i]

Рис. 11 Летательный аппарат в сборе

Для изготовления оболочки используется авиамодельная древесина – бальза, это самая легкая древесина.

 [i]

Рис. 14 Лепестки оболочки склеиваются в цельную оболочку (бальза, эпоксидная смола, стеклоткань)

[i]

Рис. 15 Торцевой шпангоут нижней части каркаса летательного аппарата, необходим для повышения жесткости и стыковки с верхней частью летательного аппарата (фанера 4 мм)

[i]

Рис. 16 Моторама – самая жесткая и прочная деталь верхней части летательного аппарата, к ней крепится двигатель, пилоны, лейнеры, лепестки оболочки из бальзы (изготовлен из фанеры толщиной 10 мм)

Для изготовления Моторамы используется качественная фанера толщиной 10 мм, по краю срезается фаска для наклеивания лепестков бальзы, а в теле моторамы вырезаются отверстия под карбюратор двигателя, выпускной патрубок, болты крепления двигателя, вырезаются пазы для дальнейшего приклеивания на эпоксидную смолу пилонов и лейнеров.

Шпангоуты пересекаются с лейнерами под прямым углом в пазах и склеиваются эпоксидной смолой, главная задача – увеличение жесткости и прочности в горизонтальной плоскости, изготавливаются из цельной высококачественной фанеры толщиной 4 мм.

[i]

Рис. 17 Один из шпангоутов верхней части летательного аппарата (изготовлен из фанеры толщиной 4 мм)

[i]

Рис. 18 Один из шпангоутов верхней части летательного аппарата (изготовлен из фанеры толщиной 4 мм)

Основные технические характеристики летательного аппарата:

Масса – 14 кг;

Тяга несущего винта – 25 кг;

Диаметр винта – 635 мм;

Масса двигателя – 2,5 кг;

Рабочий объем двигателя – 85 см.куб.;

Объем заливаемого топлива – 1 л.;

Применяемое топливо – АИ 95, АИ 98 в смеси с маслом 1:50

Высота – 1,25 м;

Даметр фюзеляжа – 807 мм;

Рабочая температура – от -20 до +30 °С.

Перспективы использования летательного аппарата вертикального взлета и посадки в будущем

Во-первых, в наше время случается множество опасных происшествий, которые требую определенные ресурсы для решения данных проблем, и зачастую такого типа происшествия случаются в труднодоступных местах, куда не любой ЛА сможет произвести доставку нужных ресурсов, а тем более не сможет найти места для посадки. Ведь даже вертолет нуждается в большой площадке для посадки, а, например, в горах нет таких площадей, где можно посадить вертолет. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки, в свою очередь, не требует больших площадей для произведения посадки, тем более, специально оборудованной. Ведь данный аппарат имеет далеко выступающих длинных частей, которые могли бы помешать посадке. Во-вторых, данный аппарат, можно использовать для доставки продовольствия в места, где человеку находиться опасно, ведь данный аппарат является беспилотным и не подставляет пилота, который мог находиться внутри, в опасной ситуации.

Испытания силового агрегата модели атмосферного летательного аппарата типа летающей тарелки

1. 9 октября произведен первый запуск авиамодельного двигателя внутреннего сгорания 3W 85XiCS, установленного на модель пилотируемого летательного аппарата вертикального взлета и посадки, изготовленного в масштабе 1:2 на базе клуба юных техников «Комета» при сотрудничестве с президентом федерации авиамодельного спорта в Удмуртии Ладыгиным Валерием Николаевичем.

2. 25 октября 2014 года проведена обкатка двигателя летательного аппарата вертикального взлета и посадки и кратковременно повышена мощность. Летательный аппарат, закрепленный на верхней части стенда, взлетел при достижении мощности двигателя 70%. Это говорит о том, что данная идея конструкции жизнеспособна и ее необходимо развивать дальше. Далее планируется полностью обкатать авиамодельный двигатель, установить рулевые винты и дополнительное электронное оборудование для уравновешивания реактивного момента от несущего винта. На открытой площадке запустить полностью собранный летательный аппарат вертикального взлета и посадки.

[i]

Рис. 19 Главный силовой блок летательного аппарата вертикального взлета и посадки

[i]

Рис. 20 Главный силовой блок летательного аппарата вертикального взлета и посадки при работе двигателя на холостых оборотах

Рис. 21 Главный силовой блок летательного аппарата вертикального взлета и посадки при кратковременной работе двигателя на оборотах, соответствующих 70% мощности двигателя

 Закупленные детали, узлы, агрегаты

Закупленные материалы, заготовки

Выводы и основные результаты работы по проекту

1. 25 октября 2014 года проведена обкатка двигателя летательного аппарата вертикального взлета и посадки и кратковременно повышена мощность, при этом летательный аппарат, закрепленный на верхней части стенда, взлетел при достижении мощности двигателя 70%. Это говорит о том, что данная идея конструкции жизнеспособна и ее необходимо развивать дальше.

2. Аппарат имеет большой потенциал, который необходимо развивать и дальше, модернизируя модель летательного аппарата вертикального взлета и посадки.

Литература

1.     Журнал «Техника молодежи»

2.     Книга Михаила Арлазорова «Конструкторы»

3.    wikipedia.org

4.     http://rjstech.com/aerodinamika-i-modelirovanie/osnovy-aerodinamiki/

5.     https://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%E2%E8%E0%F6%E8%FF