Патент на изобретение №2223891

(54) Способ образования подъемной силы, аэроплан, способ взлета и посадки

(57) Реферат:

Изобретение относится к области авиационного транспорта. Способ образования подъемной силы заключается в том, что нагретыми потоками газа от газоструйного устройства, направленными над верхней поверхностью двух аэродинамических несущих площадок, создают бинарный циклон в виде пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих верхнюю поверхность двух площадок на объекте. Аэроплан включает газоструйное управляемое устройство, предназначенное для создания нагретых потоков газа, и крыло, верхняя поверхность которого имеет пару симметрично расположенных аэродинамических несущих площадок. Газоструйное устройство установлено с возможностью создания нагретыми потоками газа бинарного циклона. Управляемые аэродинамические элементы установлены для образования сил и моментов стабилизации аэроплана. Способ взлета и посадки аэроплана заключается во взвешивании аэроплана и создании скоростного напора потоков газа. Изобретения направлены на расширение арсенала технических средств. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области авиационного транспорта.

Уровень техники

Авиация является предпочтительным видом дальнего пассажирского транспорта. Увеличивается объем и расширяется география мировых перевозок. Однако прогресс авиационного транспорта сопровождается развитием негативных социальных и экологических факторов, которые могут возрасти до критических уровней, если не будет найдена альтернатива традиционным авиационным технологиям. Проблема состоит в необходимости создания новых средств и способов взлета и посадки для обеспечения большей безопасности полета и совместимости аэропланов с окружающей средой.

Аэропланом принято называть летательный аппарат с двигателем и с несущим крылом. Современные аэропланы, в частности выполняющие основной объем мировых перевозок авиалайнеры, обладают высокой крейсерской скоростью, большой вместимостью и дальностью полета. Они оснащаются реверсивными двигателями с большой взлетной и тормозной мощностью, сложной взлетно-посадочной механизацией крыла и только на протяженных взлетно-посадочных полосах аэродромов, при высокой воздушной скорости и при значительных углах атаки реализуют необходимые значения подъемной силы.

В напряженных режимах взлета и посадки происходит наибольшее число катастроф. Многие инциденты связаны с потерей управления при отказах двигателей и отказах аэродинамических и механических взлетно-посадочных устройств под воздействием высоких эксплуатационных нагрузок, присущих традиционным способам взлета и посадки с разбегом и пробегом аэропланов по Земле. Большинство инцидентов связано с человеческим фактором. Аварийность и, что особенно важно, тяжесть катастроф зависят, в основном, от присущих традиционным способам взлета и посадки высоких значений скорости аэропланов вблизи Земли и при движении по Земле. При дефиците высоты и времени для принятия решений и в сложных погодных условиях темп необходимых операций по управлению аэропланом возрастает, нагрузки на пилотов и наземных операторов становятся критическими, что является главными причинами их ошибок.

Увеличение вместимости и дальности авиалайнеров сопряжено с увеличением взлетно-посадочной скорости и с повышением взлетной мощности двигателей авиалайнеров. Соответственно возрастает темп деградации управления и тяжесть катастроф, происходящих при отказах двигателей и элементов взлетно-посадочной механизации и аэродинамической стабилизации. Расчетный дефицит посадочной подъемной силы дальних авиалайнеров требует в аварийной ситуации слива излишнего веса топлива, в противном случае отягощаются последствия катастрофы. Увеличение взлетной мощности двигателей сопряжено с повышением их шумности и увеличением потоков эмиссии. Территории и атмосфера аэропортов, городов и пригородов подвергаются загрязнению как от шума и эмиссии двигателей аэропланов, так и от шума и эмиссии наземного транспорта, обслуживающего пассажиропотоки авиарейсов. Велики потери времени и затраты средств на трансфер город-аэропорт. Значительные территории и экономические ресурсы отчуждаются от других потребностей общества в целях строительства и расширения аэропортов и многочисленных связанных с аэропортами объектов транспорта и обслуживающей инфраструктуры. Население, природа и объекты больших районов городов, пригородов, прибрежные территории и акватории находятся под постоянной угрозой возможных авиационных катастроф.

Таким образом, тенденция наращивания взлетной мощности двигателей осложняет решение проблемы безопасности и совместимости авиалайнеров с окружающей средой.

Автор считает, что проблема безопасности и совместимости авиалайнеров с окружающей средой может быть перспективно решена осуществлением способа вертикального взлета и вертикальной посадки. Такой способ позволит обеспечить контролируемое существенное замедление темпа операций, зависание перед приземлением, сведение к нулю скорости касания Земли, возможность мягкой посадки в любой точке Земли и возможность вынужденной посадки без слива топлива. Независимость от человеческого фактора и от погодных условий, в результате – существенное повышение безопасности сможет быть обеспечено путем полной автоматизации процессов взлета и посадки, что нереально для существующих авиалайнеров при высокой скорости их движения в условиях тесных воздушных и наземных коридоров современных аэропортов.

Реализация вертикального взлета и вертикальной посадки аэропланов позволит расширить географию перевозок, рассредоточить пассажиропотоки, разгрузить существующие аэропорты и их инфраструктуру, сократить зону и время воздействия шума и эмиссии двигателей на окружающую среду, приблизить терминалы к городским видам транспорта и высвободить ценные территории в пригородах.

Необходимое авиалайнерам и неприятное для пассажиров маневрирование при взлете, при выходе на курс маршрута полета и при заходе на посадку будет исключено, повысится комфорт полета, сократится время полета и затраты средств и времени на трансфер.

Основу способов взлета и посадки составляют способы образования подъемной силы, а также сил и моментов стабилизации аэроплана. В авиации используются три способа образования подъемной силы: аэродинамический, аэростатический и газодинамический.

В технике традиционных аэропланов реализуют аэродинамический способ образования подъемной силы: в потоке обтекания давление над крылом понижено, разностью давлений на нижней и верхней поверхностях крыла образуется подъемная сила. Сила тяги двигателей меньше силы веса аэроплана. Достаточная подъемная (взвешивающая) сила образуется лишь при превышении некоторой воздушной скорости (т.н. скорости сваливания), для стабилизации используются управляемые аэродинамические элементы.

В технике геликоптеров аэродинамическую подъемную силу, достаточную для вертикального взлета и вертикальной посадки, образуют вращающимися с углами атаки относительно воздуха атмосферы лопастями несущего винта, стабилизацию и пропульсивную силу обеспечивают наклоном плоскости вращения и модуляцией углов атаки лопастей. Вследствие низкой эффективности подъемных и пропульсивных свойств несущих винтов, в сравнении с эффективностью двигателей и несущего крыла аэропланов, лучшие пассажирские геликоптеры по своим характеристикам (Super Puma, Technical Data, EADS, 2002) значительно уступают лучшим магистральным авиалайнерам: по скорости в три раза, по вместимости в пятнадцать раз и по дальности в пятнадцать раз.

В технике аэростатических летательных аппаратов для образования подъемной силы применяют нагретый воздух или более легкий газ, а для стабилизации в режимах взлета и посадки применяют двигатели небольшой мощности. Аэростатические аппараты способны вертикально взлетать и приземляться, а также обладают экологическим преимуществом. Однако при необходимых больших размерах аэростатические аппараты подвержены ветровым возмущениям настолько, что для операций их погрузки и разгрузки требуется строить взлетно-посадочные терминалы с громоздкими причалами (U.S. Pat. № 5346162). Поэтому и поскольку аэростатические аппараты имеют низкую крейсерскую скорость, для массовых пассажирских перевозок они не пригодны и не применяются.

В технике скоростных аэропланов вертикального взлета и вертикальной посадки используют газодинамический (реактивный) способ образования подъемной силы, состоящий в том, что поворотные двигатели или потоки истечения двигателей с превышающей силу веса аэроплана тягой направляют вертикально вниз. При переходе к режиму горизонтального полета осуществляют поворот двигателей или потоков истечения двигателей относительно поперечной оси аэроплана преимущественно в горизонтальное положение (U.S. Pat. № 3208695). Стабилизацию на взлете и при посадке обеспечивают управлением моментами реакции потоков истечения основных или дополнительных двигателей. В горизонтальном полете при превышении скорости сваливания достаточную для взвешивания подъемную силу образуют крылом, а для стабилизации используют более эффективные обычные управляемые аэродинамические элементы. Такие аэропланы обладают избыточностью конструкции и средств управления. Необходимая взлетно-посадочная мощность (вертикальная тяга) их двигателей в три-четыре раза выше мощности двигателей геликоптеров и взлетной мощности двигателей традиционных аэропланов, соответственно выше тяжесть катастроф при отказах двигателей и интенсивность загрязнения окружающей среды в районах взлета и посадки.

Свойства геликоптера и аэроплана сочетаются в аппарате V22 (Bell-Boeing), в котором поворотные двигатели с несущими винтами расположены на консолях относительно небольшого крыла. Подобные аппараты по сравнению с геликоптерами имеют повышенную скорость и увеличенную дальность, однако по скорости, дальности, а также по вместимости и экономичности они не смогут конкурировать с авиалайнерами.

Известны способы повышения подъемной силы крыла и повышения эффективности стабилизации аэропланов путем увеличения скорости потоков обтекания верхней поверхности крыла и поверхностей управляемых аэродинамических элементов. С этой целью используют потоки истечения двигателей, которые направляют над аэропланом так, чтобы они обтекали его верхнюю поверхность и стекали бы с нее книзу, обтекая также и поверхности управляемых элементов (U.S. Pat. 2988303; 3297278; 3697020).

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является усовершенствование, внесенное в крылья аэропланов патентом Франции 1.212.391. Оно включает поднятый на крыло, по меньшей мере, один реактивный двигатель так, чтобы его поток обтекал верхнюю поверхность крыла, стекая с нее назад, и средства, которые нужны для отклонения этого потока книзу, чтобы он надавил на указанную поверхность наклонно по ширине размаха крыла и следовал поперек этой поверхности, чтобы покинуть границу крыла в виде длинной и тонкой пелены, которая простирается по ширине размаха, используются управляемые аэродинамические элементы в виде дефлектора, способного отклонять поток двигателя книзу, и в виде закрылка, расположенного вдоль границы обтекания крыла и способного отклонять поток стекающей с него пелены книзу.

Вертикальный взлет и вертикальную посадку традиционных аэропланов, а также усовершенствованных, в том числе по патенту Франции 1212391, реализовать невозможно, поскольку взвешивающая величина аэродинамической подъемной силы создается, в основном, действием значительной горизонтальной составляющей скорости обтекания крыла, а ее приращение от действия скорости потоков двигателей невелико.

Лучшие авиалайнеры выполнены по “нормальной” аэродинамической схеме, имеют стреловидное крыло с развитой взлетно-посадочной механизацией и элевонами, хвостовое оперение включает стабилизатор с рулями высоты и один неподвижный киль с рулем направления, ниже и впереди крыла расположены два или четыре реверсивных двигателя.

Именно такое устройство с четырьмя двигателями имеет магистральный авиалайнер А340-300, обладающий вместимостью до 440 мест и максимальной дальностью 13500 км с 295 пассажирами на борту (Airbus Industrie, Setting the Standards, June 1997).

Известные способы образования подъемной силы и способы вертикального взлета и вертикальной посадки применить к обладающему характеристиками современного авиалайнера аэроплану невозможно: необходимое трех-четырехкратное увеличение взлетно-посадочной мощности двигателей привело бы к неприемлемому усложнению конструкции и снижению надежности аэроплана, а его эксплуатация вызвала бы подавляющее загрязнение окружающей среды в районах взлета и посадки и усугубила бы последствия катастроф при отказах двигателей и устройств стабилизации авиалайнера.

Следует особо отметить, что известные аэродинамические и газодинамические способы образования подъемной силы используют лишь кинетическую энергию, тогда как тепловая энергия потоков истечения двигателей полезной работы не производит.

Настоящее изобретение позволяет исключить отмеченные недостатки традиционных аэропланов, а также известных способов и аппаратов вертикального взлета и посадки.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на решение задачи повышения безопасности полета и улучшения совместимости аэропланов с окружающей средой до такой степени, чтобы допустить базирование, взлет и посадку аэропланов большой вместимости и дальности в пределах городов, на акваториях, в экологически чистых и в ранее недоступных районах Планеты.

Задача решается путем минимизации мощности двигателей и в результате удаления от Земли их потоков эмиссии при вертикальном взлете и вертикальной посадке аэропланов.

Идея и новая сущность изобретения заключается в использовании кинетической и тепловой энергии потоков двигателей аэроплана и дополнительных топливных горелок или газогенераторов для создания над аэропланом специфического управляемого циклона с подъемной силой, достаточной для взлета и посадки.

Новизна изобретения заключается также в использовании энергии скоростного напора потоков такого циклона для образования сил и моментов стабилизации аэроплана.

Циклон – естественное атмосферное явление в виде образованной нагретыми энергией излучения Солнца потоками вращающейся над поверхностью Земли колонны воздуха, связанное с понижением атмосферного давления. По аналогии автор вводит название и дает определение ранее неизвестному явлению: бинарный циклон – искусственно созданное нагретыми потоками газоструйных устройств, направленными над верхней поверхностью расположенных в среде атмосферы Земли площадок объекта, явление в виде, по меньшей мере, одной пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих на верхней поверхности объекта две площадки, вызывающее понижение атмосферного давления над этой поверхностью. Соответственно определяются: циклоническая сила – образованная циклоном (бинарным циклоном) подъемная сила, циклоплан – аэроплан, устройство которого позволяет реализовать (создать и использовать) эффект бинарного циклона.

Техническая задача решена автором в результате открытия явления бинарного циклона и разработки адекватной теории. Создана модель динамической системы “объект – бинарный циклон – атмосфера”, определены виды возмущений и соответствующие принципы управления. Оценены достоинства и качественные преимущества использования явления бинарного циклона в авиации. Ниже изложены элементы теории бинарного циклона, необходимые для понимания существа изобретения.

Известно, что в ряде случаев, когда над локальной поверхностью Земли возникает плосковихревое движение нагретого относительно окружающей атмосферы поверхностного слоя воздуха, то над этой поверхностью образуется циклон, со временем заполняющий в высоту объем в среде атмосферы в виде вращающейся колонны с пониженным давлением.

Автором определены следующие физические закономерности, позволяющие искусственно создавать специфические циклоны и использовать их свойства в области авиации.

Устойчивый и управляемый циклон (моноциклон) может быть генерирован над верхней поверхностью расположенного в атмосфере Земли объекта направленными потоками управляемых газоструйных устройств, например – потоками выхлопа двигателей аэроплана, факелами топливных горелок, потоками истечения газогенераторов и т.п.

На объект действует циклоническая подъемная сила, вызванная понижением давления на верхнюю поверхность объекта, определяемая функцией объема, плотности и кинетического момента вращающейся колонны циклона, площадью омываемой циклоном верхней поверхности (несущей аэродинамической площадки) объекта, распределением величин плотностей и температур газов в объеме циклона и в среде атмосферы и функциями массового и теплового обмена циклона с объектом и с атмосферой. Существует возможность изменением составляющих кинетической и тепловой энергии колонны газа циклона управлять циклонической подъемной силой, управляя соответствующей мощностью потоков истечения газоструйных устройств.

На объект действует аэродинамический момент увлечения потоком циклона (инволвентный момент), определяемый функцией плотности и скорости (скоростного напора) потока циклона в поверхностном слое, а также коэффициентом аэродинамического сопротивления и площадью обтекаемых потоком циклона поверхностей несущей площадки и расположенных в потоке циклона иных элементов. Существует возможность управления инволвентным моментом и образования приложенных к объекту составляющих аэродинамических сил и моментов путем отклонения относительно потока циклона расположенных в его потоке поверхностей управляемых аэродинамических элементов в виде консолей оперения, килей, рулей, стабилизаторов, дефлекторов, интерцепторов.

Объект и циклон обладают свойствами неотрывности и взаимной аэродинамической устойчивости (эффект квазиупругого взаимодействия) при боковых и при вертикальных смещениях и при угловых отклонениях омываемой поверхности объекта относительно оси циклона. Существует возможность стабилизировать объект в горизонтальном положении при действии на циклон и на объект небольших возмущений со стороны атмосферы и моментов несбалансированности объекта путем создания асимметрии потоков газа циклона, омывающих поверхности объекта, отклонением поверхностей упомянутых управляемых аэродинамических элементов относительно потоков циклона.

При движении объекта с моноциклоном относительно воздуха атмосферы на объект действует система сил и моментов реакции циклона на встречный поток, определяемых параметрами газов циклона и атмосферы, векторами скоростей потока циклона и встречного потока, объемом и энергией моноциклона (эффект встречной реакции).

При существенных значениях перечисленных параметров эффект встречной реакции приводит к значительному пространственному сносу и к пространственному развороту объекта, что делает проблематичным использование явления моноциклона в авиации.

Бинарный циклон предпочтителен для использования в авиации: в силу симметрии система “аэроплан – бинарный циклон” более устойчива к воздействиям со стороны атмосферы и обладает управляемостью, поскольку эффекты квазиупругости, инволвентности, силы и моменты встречной реакции могут быть симметрированы относительно направления встречного потока воздуха. Результирующее действие встречного потока на аэроплан сводится к силе лобового сопротивления и к моменту по тангажу, которые могут компенсироваться как обычно – тягой двигателей и продольной аэродинамической балансировкой путем создания момента от горизонтального оперения.

Изобретением реализуется эффект совместного действия двух известных рассмотренных выше аэродинамического и аэростатического способов образования подъемной силы. Преимущество способа образования циклонической подъемной силы состоит в отсутствии присущих каждому из известных способов принципиальных физических ограничений.

Отсутствует присущее аэродинамическому способу ограничение величины подъемной силы, определяемое скоростным напором при разбеге традиционного аэроплана: скоростной напор (энергию) потоков бинарного циклона можно в принципе увеличить, сколь угодно увеличивая скорость потоков истечения и время действия газоструйных устройств, причем без затрат кинетической энергии на разбег аэроплана при взлете.

Отсутствует ограничение величины подъемной силы, определяемое плотностью газа и объемом оболочки традиционного аэростата: объем нагретого газа бинарного циклона можно в принципе увеличивать сколь угодно в высоту сколь угодно быстрым сжиганием сколь угодно большого количества топлива в газоструйных устройствах.

После посадки бинарный циклон может быть отсоединен от циклоплана торможением скорости его потоков, омывающих поверхность аэроплана, после чего будучи нагретым относительно окружающей атмосферы, он поднимется в ее верхние слои, где диффундирует. Процесс отсоединения можно форсировать быстрым сжиганием на определенной высоте над аэропланом некоторого количества распыленного топлива.

Бинарный циклон с объектом и со средой атмосферы образует неавтономную гетерогенную управляемую динамическую систему с изображенной на фиг.1 упрощенной схемой физической модели в виде одной пары (в общем случае – в виде нескольких пар) вертикальных соприкасающихся вращающихся с угловыми скоростями плюс и минус ? газовых колонн, омывающих на верхней поверхности 1 объекта две симметричные, в частности – круговые, аэродинамические несущие площадки 2.

Модель определяется переменными h_o и h_c – высоты, _c – плотности, T_c – температуры, p_c – давления, v_с – окружной скорости и составляющими кинетической и термодинамической энергии потоков бинарного циклона, значениями стандартных параметров , T, p окружающей атмосферы, функциями диффузии потоков бинарного циклона в окружающей атмосфере, а также функциями кинетических, термодинамических и аэродинамических воздействий со стороны атмосферы, газоструйных устройств и аэродинамических элементов объекта. Бинарный циклон с объектом связан параметрами эффектов квазиупругого и инволвентного взаимодействия.

На фиг.1 также представлены характерные графики изменения параметров температуры, плотности и давления среды атмосферы и среды бинарного циклона в функции высоты. На графиках температура T_с повышена относительно T, плотность _с понижена относительно , давление p_с среды циклона понижено относительно p давления среды окружающей объект атмосферы. Колонны бинарного циклона поднимаются в атмосфере над объектом до высоты, при которой значения p_с и p становятся равными.

Устойчивость системы “аэроплан-бинарный циклон-атмосфера” при возмущениях и управление движением объекта по высоте осуществляется регулированием динамического баланса трех составляющих полной энергии бинарного циклона: подводимой, расходуемой на совершение полезной работы и рассеиваемой в атмосфере.

Полезная энергия является суммой работы взвешивания (создания величины подъемной силы, равной силе веса объекта) и работы подъема при взлете, равной произведению силы веса на приращение высоты. При снижении высоты объекта соответствующая часть полезной энергии возвращается в баланс энергии бинарного циклона приращением скорости вращения газовых колонн и дает приращение подъемной силы, чем объясняется свойство неотрывности и взаимной устойчивости (квазиупругости) объекта и бинарного циклона по высоте.

Достоинство способа образования циклонической подъемной силы состоит в том, что необходимая для взвешивания циклоплана значительная величина энергии может быть предварительно, за определенное время до взлета накоплена в бинарном циклоне путем заполнения его (накачкой) относительно небольшими по мощности кинетическими и тепловыми потоками истечения газоструйных устройств. Подводимая мощность по завершении процесса накачки до необходимой величины должна лишь компенсировать скорость рассеяния энергии бинарного циклона в среде атмосферы.

Отношение величины подъемной силы к величине сил сопротивления потоку (аэродинамическое качество) циклоплана в режимах взлета, висения и снижения до посадки значительно превышает обычные для аэропланов значения. Кроме того, при образовании циклонической подъемной силы утилизируется тепловая энергия выхлопа двигателей, в результате существенно снижается необходимая мощность двигателей циклоплана по сравнению с взлетной мощностью двигателей традиционных аэропланов.

Экологическое преимущество изобретенного способа состоит также в том, что при взлете нагретые потоки выхлопа двигателей и продукты сгорания топлива абсорбируются циклоном и поднимаются вверх от Земли вместе с взлетающим циклопланом. После полета при отсоединении бинарного циклона находящиеся в его среде нагретые потоки и продукты сгорания топлива поднимаются в верхние слои атмосферы и диффундируют. Минимизация взлетно-посадочной мощности двигателей и экранирование (отражение вверх верхними поверхностями циклоплана) акустических и тепловых потоков истечения двигателей и факелов топливных горелок существенно снижают в сравнении с традиционными аэропланами воздействие циклоплана на окружающую среду.

Важное достоинство способа бинарного циклона и преимущество по безопасности полета аэроплана состоит в том, что накачка энергии и поддержание достаточных величин циклонической силы и скоростного напора потоков обтекания аэродинамических поверхностей может обеспечиваться подведением преимущественно тепловой энергии горения топлива. Для накачки и регулирования баланса тепловой энергии бинарного циклона данным изобретением предложено помимо двигателей расположить выше несущих площадок циклоплана управляемые топливные горелки. При свободном горении топлива реализуется максимум теплотворной способности топлива и почти полное расширение газа в объеме бинарного циклона, чем обеспечивается высокий КПД процесса взлета, в результате в сравнении с традиционными аэропланами необходимое время подготовки циклоплана к взлету короче, затраты топлива меньше и темп взлета выше.

Управление бинарным циклоном осуществляется путем изменения величины суммарной мощности и изменения соотношения между тепловой и кинетической составляющими мощности потоков газоструйных устройств.

Требуемые для компенсации диффузии и поддержания скоростного напора потоков бинарного циклона теплота и импульс момента образуются преимущественно действием факелов топливных горелок с использованием небольшой мощности (тяги) двигателей.

Надежность топливных горелок заведомо выше надежности авиационных двигателей. Таким образом, даже в случаях полного отказа всех двигателей в режимах взлета, висения и посадки не происходит деградации подъемной силы, сил и моментов стабилизации, что в этих режимах обычно имеет место при отказах двигателей и в ряде случаев отказов аэродинамических элементов скоростных аэропланов. Благодаря массовой и тепловой инерции бинарного циклона подъемная сила и скоростной напор его потоков снижаются плавно и по мере рассеяния его энергии могут компенсироваться увеличением мощности факелов горелок, в результате чего ускорение и скорость снижения циклоплана перед касанием Земли могут быть сведены к нулю. В режимах взлета и посадки циклоплан стабилизируется в горизонтальном положении, что исключает обычное для авиалайнеров маневрирование и связанные с этим дискомфорт полета и затраты полетного времени. Благодаря более крутой траектории взлета и посадки, повышенной радиолокационной и тепловой контрастности, т.е. лучшей наблюдаемости циклоплана наземными, бортовыми и спутниковыми средствами слежения и предупреждения, более надежно обеспечивается управление воздушным движением, контроль полета и разведение воздушных судов.

Техническая задача решается тем, что объектом изобретения является способ образования подъемной силы на объекте, заключающийся в использовании нагретых потоков газа от, по меньшей мере, одного газоструйного устройства, направленных над верхней поверхностью расположенных в атмосфере Земли двух аэродинамических несущих площадок объекта, в котором направленными над верхней поверхностью расположенных в атмосфере Земли двух аэродинамических несущих площадок нагретыми потоками газа создают бинарный циклон в виде, по меньшей мере, одной пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих верхнюю поверхность двух аэродинамических несущих площадок на объекте.

Техническая задача решается также тем, что объектом изобретения является аэроплан, включающий, по меньшей мере, одно газоструйное управляемое устройство, предназначенное для создания нагретых потоков газа, и крыло, верхняя поверхность которого имеет, по меньшей мере, одну пару симметрично расположенных аэродинамических несущих площадок, и управляемые аэродинамические элементы, выполненные с возможностью отклонения их поверхностей для образования сил и моментов стабилизации аэроплана, в котором газоструйное устройство установлено с возможностью создания нагретыми потоками газа бинарного циклона в виде, по меньшей мере, одной пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих две аэродинамические несущие площадки на верхней поверхности крыла, а управляемые аэродинамические элементы установлены с возможностью отклонения их поверхностей относительно потоков газовых колонн бинарного циклона.

Кроме того, в предпочитаемом варианте аэроплан снабжен фюзеляжем, крылом, часть верхней поверхности которого выполнена в форме двух круговых несущих площадок, упомянутые управляемые аэродинамические элементы представляют собой два боковых поворотных киля с отклоняемыми рулями, шарнирно отклоняемые дефлекторы, четыре интерцептора, отклоняемые консоли несущего стабилизатора с элевонами и поворотные консоли переднего горизонтального оперения, упомянутое управляемое газоструйное устройство состоит из двух боковых двигателей и реверсивного двигателя, отклоняемые консоли несущего стабилизатора шарнирно соединены с крылом, реверсивный двигатель, дефлекторы и консоли переднего горизонтального оперения установлены на фюзеляже, указанные двигатели, кили с рулями, интерцепторы, дефлекторы и консоли переднего горизонтального оперения установлены выше периферии двух круговых несущих площадок крыла, поворотные кили с отклоняемыми рулями и дефлекторы предназначены для размещения в потоках соответствующих двигателей. Кроме того, каждый двигатель аэроплана представляет собой авиационный двигатель. Кроме того, аэроплан снабжен топливными горелками или газогенераторами, которые установлены на фюзеляже, на крыле, на боковых двигателях, на рулях боковых килей, и на консолях переднего горизонтального оперения.

Техническая задача решается также тем, что объектом изобретения является способ взлета и посадки аэроплана, выполненного в соответствии с приведенным выше описанием, заключающийся в использовании действия вышеописанного способа образования подъемной силы так, что перед взлетом и перед посадкой аэроплана потоками от, по меньшей мере, одного газоструйного устройства генерируют бинарный циклон и, управляя им путем изменения суммарной мощности и соотношения между тепловой и кинетической составляющими мощности потоков, по меньшей мере, одного газоструйного устройства, образуют подъемную силу взвешивания аэроплана и создают скоростной напор потоков обтекания поверхностей управляемых аэродинамических элементов, управляя отклонением поверхностей аэродинамических элементов относительно потоков газа бинарного циклона образуют силы и моменты стабилизации аэроплана.

Кроме того, при завершении посадки аэроплана, управляя мощностью и направлением потоков газоструйных устройств и отклонением поверхностей аэродинамических элементов, тормозят потоки газовых колонн бинарного циклона, омывающих верхнюю поверхность аэроплана, для отсоединения бинарного циклона от аэроплана. Кроме того, дополнительно сжигают над аэропланом распыленное топливо для форсирования отсоединения бинарного циклона от аэроплана.

Изобретением обеспечивается возможность вертикального взлета и посадки аэроплана при небольшой взлетно-посадочной мощности двигателей, отказы двигателей на взлете и при посадке не приводят к потере управления, потоки эмиссии удаляются от Земли.

Применение изобретения позволяет реализовать вертикальный взлет, висение в атмосфере и вертикальную посадку безопасных и совместимых с окружающей средой массовых средств воздушного транспорта, а также аппаратов сверхбольшой грузоподъемности.

Изобретение поясняется приведенными ниже фигурами схем, чертежей и описаниями, которые служат лишь для пояснения существа изобретения и не ограничивают возможность осуществления иных вариантов изобретения.

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 – схема и параметры модели системы “объект – бинарный циклон – атмосфера”.

Фиг.2 – схема генерации бинарного циклона, вид сверху.

Фиг.3 – схема устройства циклоплана с тремя парами несущих площадок, вид сверху.

Фиг.4 – чертеж аэроплана циклоплана, вид сверху, состояние крейсерского полета.

Фиг.5 – чертеж фрагмента аэроплана циклоплана, разрез по А-А.

Фиг.6 – чертеж аэроплана циклоплана, вид спереди, состояние взлета или посадки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Варианты устройств осуществления изобретения аэроплана циклоплана различаются конфигурацией несущих площадок верхней поверхности, омываемых одной парой или несколькими парами колонн бинарного циклона, разнообразием типов, количеством, сочетанием и различием в расположении управляемых газоструйных устройств и управляемых аэродинамических элементов. Несущие площадки верхней поверхности крыла скоростных аэропланов имеют, как обычно, выпуклую форму поверхности.

На фиг.2 представлена схема простейшего способа создания над поверхностью 1 бинарного циклона, вращение колонн которого показано стрелками 7, одним потоком 5 газоструйного устройства 3, направленным над общей периферией двух площадок 2 и потоком 6 встречного воздуха, омывающим площадки 2 по боковым сторонам над периферией каждой из них. Более эффективно создавать бинарный циклон тремя потоками газоструйных устройств, направленными, как показано на фиг.1 стрелками 5.

Схемой фиг.3 иллюстрируется устройство варианта циклоплана с крылом, выполненным в виде плоской фигуры с центральной симметрией (с удлинением, равным единице). Три пары потоков 7 бинарного циклона создаются потоками шести газоструйных устройств – двигателей 3, расположенных между симметричными круговыми площадками 2 выше их периферии, центры площадок расположены в вершинах равностороннего шестиугольника 8. В потоках 5 газоструйных устройств 3 расположены управляемые аэродинамические элементы – дефлекторы 4. При реализации вариантов подобного устройства циклоплана нет технических ограничений по площади верхней поверхности, по количеству размещенных на ней пар площадок, а также по количеству и по мощности используемых газоструйных устройств. Выполненный по схеме фиг.3 циклоплан при равных с авиалайнером габаритах имеет в 8 раз большую расчетную грузоподъемность и может использоваться в качестве висящей платформы, подъемного крана, в качестве средства для тушения пожаров, в качестве атмосферного спутника Земли и т.п. От таких аппаратов не требуется иметь высокую скорость полета (перебазирования).

На фиг.4, фиг.5, фиг.6 представлен иной вариант осуществления изобретения – циклоплан, предназначенный для применения в качестве средства скоростного воздушного транспорта. Он включает удлиненное крыло 9 и несущий фюзеляж 10, часть верхней поверхности центроплана крыла выполнена в форме двух симметричных выпуклых круговых несущих площадок 2 по бокам и выше которых установлены два двигателя 3, два поворотных киля 11 с рулями 12, четыре интерцептора 13, к крылу присоединены шарнирно отклоняемые консоли 14 несущего стабилизатора с элевонами 15, на фюзеляже 10 установлены поворотные консоли 16 переднего горизонтального оперения, шарнирно отклоняемые дефлекторы 4, хвостовой реверсивный двигатель 17 и киль 18 с рулем 19, на крыле, на боковых двигателях 3, на боковых рулях 12, на консолях 16 переднего оперения и на фюзеляже 10 установлены топливные горелки или газогенераторы 20.

Перед взлетом подобного варианта циклоплана бинарный циклон генерируют направленными симметрично относительно периферии несущих площадок 2 потоками 5 боковых двигателей 3 и реверсированым потоком хвостового двигателя 17 при соответственно симметрично отклоненных поверхностях боковых килей 11, рулей 12, консолей 14 стабилизатора, элевонов 15, консолей 16 переднего оперения и дефлекторов 4, затем энергию потоков 7 бинарного циклона увеличивают путем управления мощностью двигателей 3, 17 и горелок или газогенераторов 20.

При взлете, при посадке и при висении результирующий вектор силы ветра и сил тяги двигателей поддерживают преимущественно около нуля разворотом циклоплана двигателями на ветер и регулированием модуля вектора тяги. При переходе от режима вертикального взлета к режиму горизонтального полета увеличивают пропульсивную силу тяги, поверхности аэродинамических элементов (указанных килей, рулей, консолей несущего стабилизатора, элевонов, консолей переднего оперения, интерцепторов и дефлекторов) и потоки газоструйных устройств, указанных двигателей и горелок или газогенераторов направляют преимущественно вдоль встречного потока воздуха 6, в результате потоки бинарного циклона сносятся назад и преобразуются в спутную струю, обычную для крейсерского режима полета аэропланов.

При переходе от режима горизонтального полета к режиму вертикальной посадки пропульсивную результирующую сил тяги и ветра уменьшают до нуля, затем реверсируют преимущественно за счет тяги хвостового двигателя 17, в результате высота и горизонтальная скорость циклоплана убывают, над площадками 2 образуется бинарный циклон, который наполняют кинетической и тепловой энергией потоков истечения двигателей 3, 17 и потоков (факелов) топливных горелок или газогенераторов 20. Отметим, что в процессе снижения циклоплана бинарный циклон утилизирует также определенное количество энергии спутной струи и энергии, обусловленной потерей высоты и торможением скорости циклоплана в среде атмосферы. В результате спутная струя преобразуется в потоки 7 бинарного циклона с накопленной энергией, достаточной для создания подъемной силы, взвешивающей циклоплан и тормозящей до нуля его вертикальную скорость перед приземлением. Финишный этап вертикальной посадки осуществляют с зависанием циклоплана на минимальной высоте с тягой двигателей, равной силе ветра, и с близкой к нулю скоростью касания Земли. При завершении посадки потоки бинарного циклона тормозят реверсом тяги двигателей и отклонением управляемых аэродинамических элементов, в результате бинарный циклон отсоединяют от аэроплана и удаляют вверх от Земли; для форсирования этого процесса сжигают над аэропланом некоторое количество распыленного топлива.

Возможности поворота консолей 16 переднего горизонтального оперения и шарнирного отклонения консолей 14 несущего стабилизатора на углы более чем плюс-минус 90 градусов позволяют направлять их поверхности вдоль встречного воздушного потока и обеспечить управляемость циклоплана на больших углах атаки, присущих режимам вертикального взлета и вертикальной посадки.

Расположение поворотных килей 11 с рулями 12 в потоках истечения двигателей 3 и 17 позволяет повысить эффективность генерации бинарного циклона, а также эффективность стабилизации циклоплана по рысканию на всех режимах полета, что дает возможность соответственно уменьшить площадь омываемых поверхностей вертикального оперения.

Поверхности центроплана крыла 9, шарнирно присоединенных к центроплану крыла 9 консолей 14 несущего стабилизатора и поворотных консолей 16 переднего оперения составляют несущую поверхность циклоплана – интегрированное стреловидное крыло дельтаобразной формы с боковыми и задними дугами окружностей несущих площадок 2.

Сечение и профиль несущего фюзеляжа 10, профили, площади и размах консолей 14 несущего стабилизатора и консолей 16 переднего горизонтального оперения имеют формы и размеры, обеспечивающие достаточную управляемость, продольную балансировку и высокое аэродинамическое качество в крейсерском режиме полета.

Для представленной на фиг.4, фиг.5, фиг.6 конфигурации циклоплана определяющая качество в крейсерском режиме характеристика: отношение удлинения крыла к относительной площади омываемой поверхности, – имеет значение около 2, что близко к характеристике авиалайнеров. При верхнем расположении двигателей 3 и 17 благодаря приросту скорости обтекания верхних поверхностей крыла 9, фюзеляжа 10 и консолей 16 переднего оперения реализуется определенный прирост коэффициента подъемной силы.

В результате получено превышающее 20 единиц расчетное значение аэродинамического качества циклоплана, чем обеспечиваются параметры высокой топливной эффективности и максимальной дальности, аналогичные современным магистральным авиалайнерам.

При одинаковом размахе несущих поверхностей и взлетном весе циклоплан имеет аналогичные расчетные параметры вместимости и крейсерской скорости при мощности применяемых двигателей на 35% ниже, чем у авиалайнера. Мощность двигателей циклоплана рассчитывается не как обычно из условий взлета, а лишь из условий обеспечения крейсерской скорости. Для взлета циклоплана требуется существенно меньшая мощность, поэтому циклоплан, аналогичный по параметрам авиалайнеру А340, может иметь не четыре, а три аналогичных двигателя. Авиалайнеры меньшей вместимости и дальности обычно оснащаются двумя двигателями, циклоплану с аналогичными параметрами потребуются три двигателя, каждый из них – вдвое меньшей мощности.

Современные авиационные двигатели: реверсивные турбовентиляторные с высокой степенью двухконтурности и турбовинтовые с реверсом тяги винтов, – позволяют достаточно эффективно управлять составляющими их кинетической и тепловой мощности в целях регулирования скорости потоков истечения и баланса энергии бинарного циклона на взлетно-посадочных и на переходных режимах полета.

Достаточная для взлета циклоплана расчетная величина взвешивающей подъемной силы образуется за время, не превышающее 80 секунд, при этом в сравнении с авиалайнером используется до 35% максимальной тяги двигателей и затрачивается до 70% топлива, основное количество которого расходуется топливными горелками.

Аэроплан циклоплан способен реализовать взлет и посадку с укороченным разбегом и пробегом при меньшей скорости отрыва/касания Земли, с большей грузоподъемностью и при больших углах атаки по сравнению с традиционными аэропланами.

Питание топливом до взлета целесообразно осуществлять от наземных средств. В топливных горелках целесообразно применять экологически чистое топливо.

Промышленная применимость

Изобретение применимо в авиационной промышленности, в технологиях авиационного транспорта и в иных отраслях промышленности и технологиях, связанных с подъемом грузов и с взлетом и посадкой летательных аппаратов различного назначения.

Формула изобретения

1. Способ образования подъемной силы на объекте, заключающийся в использовании нагретых потоков газа от по меньшей мере одного газоструйного устройства, направленных над верхней поверхностью расположенных в атмосфере Земли двух аэродинамических несущих площадок, отличающийся тем, что направленными над верхней поверхностью расположенных в атмосфере Земли двух аэродинамических несущих площадок нагретыми потоками газа создают бинарный циклон в виде по меньшей мере одной пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих верхнюю поверхность двух аэродинамических несущих площадок на объекте.

2. Аэроплан, включающий по меньшей мере одно газоструйное управляемое устройство, предназначенное для создания нагретых потоков газа, и крыло, верхняя поверхность которого имеет по меньшей мере одну пару симметрично расположенных аэродинамических несущих площадок, и управляемые аэродинамические элементы, выполненные с возможностью отклонения их поверхностей для образования сил и моментов стабилизации аэроплана, отличающийся тем, что газоструйное устройство установлено с возможностью создания нагретыми потоками газа бинарного циклона в виде по меньшей мере одной пары заполняемых указанными потоками соприкасающихся вращающихся газовых колонн, омывающих две аэродинамические несущие площадки на верхней поверхности крыла, а управляемые аэродинамические элементы установлены с возможностью отклонения их поверхностей относительно потоков газа бинарного циклона.

3. Аэроплан по п.2, отличающийся тем, что выполнен с фюзеляжем, крылом, часть верхней поверхности которого выполнена в форме двух круговых несущих площадок, упомянутые управляемые аэродинамические элементы представляют собой два поворотных киля с отклоняемыми рулями, шарнирно отклоняемые дефлекторы, четыре интерцептора, отклоняемые консоли несущего стабилизатора с элеронами и поворотные консоли переднего горизонтального оперения, упомянутое управляемое газоструйное устройство состоит из двух боковых двигателей и реверсивного двигателя, отклоняемые консоли несущего стабилизатора шарнирно соединены с крылом, реверсивный двигатель, дефлекторы и консоли переднего горизонтального оперения установлены на фюзеляже, указанные двигатели, кили с рулями, интерцепторы, дефлекторы и консоли переднего горизонтального оперения установлены выше периферии двух круговых несущих площадок крыла, кили с рулями и дефлекторы предназначены для размещения в потоках соответствующих двигателей.

4. Аэроплан по п.3, отличающийся тем, что каждый двигатель представляет собой авиационный двигатель.

5. Аэроплан по п.3, отличающийся тем, что он снабжен топливными горелками или газогенераторами, которые установлены на фюзеляже, на боковых двигателях, на рулях боковых килей и на консолях переднего горизонтального оперения.

6. Способ взлета и посадки аэроплана, выполненного по любому из пп.2-5, заключающийся в использовании действия способа образования подъемной силы по п.1 так, что перед взлетом и перед посадкой аэроплана потоками газоструйного устройства генерируют бинарный циклон и, управляя им путем изменения суммарной мощности и соотношения между тепловой и кинетической составляющими мощности потоков по меньшей мере одного газоструйного устройства, образуют подъемную силу взвешивания аэроплана и создают скоростной напор потоков обтекания поверхностей управляемых аэродинамических элементов, управляя отклонением поверхностей аэродинамических элементов относительно потоков газа бинарного циклона, образуют силы и моменты стабилизации аэроплана.

7. Способ взлета и посадки аэроплана по п.6, отличающийся тем, что при завершении посадки аэроплана, управляя мощностью и направлением потоков газоструйного устройства и отклонением поверхностей аэродинамических элементов, тормозят потоки газовых колонн бинарного циклона, омывающих верхнюю поверхность аэроплана, для отсоединения бинарного циклона от аэроплана.

8. Способ взлета и посадки аэроплана по п.7, отличающийся тем, что дополнительно сжигают над аэропланом распыленное топливо для форсирования отсоединения бинарного циклона от аэроплана.

РИСУНКИ